DE102008026500B4 - Method and device for regulating the commutation speed between series-connected power electronic actuators with an inductive load - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) mit induktiver Last (4), wobei die Stellglieder (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) in einer Leistungsschalteranordnung (3) zwischen einem positiven Versorgungspotenzial (VS) und einem Bezugspotenzial (GND) angeordnet sind, von denen mindestens ein Stellglied (5-1, 5-2) aktiv ein- und ausgeschaltet wird und über Steuersignalleitungen (7-1, 7-2) mit einer Ansteuerschaltung (2), die eine zentrale Steuerschaltung (2-1) mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden ist, wobei der Ansteuerschaltung (2) eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit (1) vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung oder der Strom auf der Steuersignalleitung (7-1, 7-2) des aktiv schaltenden Stellgliedes (5-1, 5-2) während eines Schaltvorgangs in mindestens zwei Zeitintervallen variiert wird, wobei mindestens ein Zeitintervall als Parameter auf einer ersten und einer zweiten, von einer einen Regelalgorithmus der digitalen Flankenregulierung aufweisenden Teilschaltung (2-1b) der zentralen Steuerschaltung (2-1) zu einer Hilfssignalschaltung (2-3) zur Erzeugung zeitverzögerter Hilfssignale für die Ansteuerung von Treiberstufen (2-6, 2-7) für zugehörige Treiberteilstromquellen (17-1, 17-2, 17-3, 17-4) der Stellglieder (5-1, 5-2) führenden Parameterübergabeleitung (13-1, 13-2) in Abhängigkeit von Messsignalen auf mindestens einem Messsignalabgriff (10-1; 10-2, 10-3, 10-4) aus der Leistungsschalteranordnung (3) und in jeder Schaltperiode eines Signals auf einer Steuervorgabeschnittstelle (18) von der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit (1) um eine feste oder variable Schrittweite so adaptiv variiert und abgespeichert wird, dass nach einer endlichen Anzahl n≥1 von Schaltperioden die Kommutierungsdauer in einem festen Verhältnis zu einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall als Parameter auf einer dritten und einer vierten, von einer ein Register für die Kommutierungsdauer-Sollwerte darstellenden Teilschaltung (2-1d) der zentralen Steuerschaltung (2-1) zu der Hilfssignalschaltung (2-3) zur Erzeugung zeitverzögerter Hilfssignale für die Ansteuerung von Treiberstufen (2-6, 2-7) für zugehörige Treiberteilstromquellen (17-1, 17-2, 17-3, 17-4) der Stellglieder (5-1, 5-2) führenden Parameterübergabeleitung (13-3, 13-4) steht und auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen der Leistungsschalteranordnung (3) in dem festen Verhältnis gehalten wird.Method for regulating the commutation speed between series-connected power electronic actuators (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) with inductive load (4), the actuators (5-1, 5-2, 6-1 , 6-2) are arranged in a circuit breaker arrangement (3) between a positive supply potential (VS) and a reference potential (GND), of which at least one actuator (5-1, 5-2) is actively switched on and off and via control signal lines (7-1, 7-2) is connected to a control circuit (2) which contains a central control circuit (2-1) with subcircuits located therein, the control circuit (2) being preceded by a higher-level programming and control unit (1) is, characterized in that the voltage or the current on the control signal line (7-1, 7-2) of the actively switching actuator (5-1, 5-2) is varied during a switching process in at least two time intervals, with at least one time interval as a parameter on an e rsten and a second, from a subcircuit (2-1b) of the central control circuit (2-1) having a control algorithm of the digital edge regulation to an auxiliary signal circuit (2-3) for generating time-delayed auxiliary signals for the control of driver stages (2-6, 2 -7) for associated driver partial current sources (17-1, 17-2, 17-3, 17-4) of the actuators (5-1, 5-2) leading parameter transfer line (13-1, 13-2) depending on measurement signals at least one measurement signal tap (10-1; 10-2, 10-3, 10-4) from the circuit breaker arrangement (3) and in each switching period of a signal on a control input interface (18) from the higher-level programming and control unit (1) so adaptively varies by a fixed or variable step size it is stored that after a finite number n≥1 of switching periods the commutation duration in a fixed ratio to a second predetermined time interval as a parameter on a third and a fourth subcircuit (2-1d) of the central control circuit (2-1) to the auxiliary signal circuit (2-3) for generating time-delayed auxiliary signals for controlling driver stages (2-6, 2-7) for associated driver partial current sources (17-1, 17-2, 17-3, 17 -4) of the actuators (5-1, 5-2) leading parameter transfer line (13-3, 13-4) is and also in the case of changing operating conditions of the circuit breaker arrangement (3) in the fixed ratio will.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedem mit induktiver Last, wobei die Stellglieder in einer Leistungsschalteranordnung zwischen einem positiven Versorgungspotenzial und einem Bezugspotenzial angeordnet sind, von denen mindestens ein Stellglied aktiv ein- und ausgeschaltet wird und über Steuersignalleitungen mit einer Ansteuerschaltung, die eine zentrale Steuerschaltung mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden ist, und der Ansteuerschaltung eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit vorgeschaltet ist.The invention relates to a method and a device for regulating the commutation speed between series-connected power electronic actuators with an inductive load, the actuators being arranged in a circuit breaker arrangement between a positive supply potential and a reference potential, of which at least one actuator is actively switched on and off and is connected via control signal lines to a control circuit which contains a central control circuit with subcircuits located therein, and a higher-level programming and control unit is connected upstream of the control circuit.
Ein solches Verfahren zur Ansteuerung leistungselektronischer Stellglieder mit dem Ziel niedriger elektromagnetischer Störaussendung bei gleichzeitig niedrigen Schaltverlusten sind bereits in verschiedenen Ausführungen veröffentlicht worden, bei welchem die Kommutierungsgeschwindigkeit innerhalb einer Leistungs-FET-Halbbrücke gesteuert wird, ist im B6-Treiberschaltkreis TLE 6280 GB implementiert und in der Veröffentlichung Infineon Technologies AG: 3-phase Bridge Driver IC TLE 6280GP, Data Sheet, 2004, http://www.infineon.com/upload/Document/cmc_upload/documents/010/TLE6280GP_F1.pdf, 7. Mai 2007, beschrieben. Über einen Hochpassfilter in der Versorgungsleitung wird die im Lastkreis induzierte Störspannung kapazitiv ausgekoppelt und im Treiberschaltkreis ausgewertet. So wird der Treiberstrom im Schaltmoment proportional zur auftretenden Störspannung verringert.Such a method for controlling power electronic actuators with the aim of low electromagnetic interference with low switching losses at the same time has already been published in various versions, in which the commutation speed is controlled within a power FET half-bridge, is implemented in the B6 driver circuit TLE 6280 GB and in the publication Infineon Technologies AG: 3-phase Bridge Driver IC TLE 6280GP, Data Sheet, 2004, http://www.infineon.com/upload/Document/cmc_upload/documents/010/TLE6280GP_F1.pdf, May 7, 2007 . The interference voltage induced in the load circuit is capacitively decoupled via a high-pass filter in the supply line and evaluated in the driver circuit. In this way, the driver current at the moment of switching is reduced proportionally to the occurring interference voltage.
Ein Problem dieses Verfahrens ist, dass erst, nachdem eine Störung aufgetreten ist, auf dieses Ereignis reagiert werden kann.A problem with this procedure is that it is only possible to respond to this event after a fault has occurred.
In Systemen mit induktiver Last fließt ein kontinuierlicher Laststrom und die Leistungsschalteranordnung ist so gestaltet, dass in jedem Schaltzustand ein leistungselektronisches Stellglied den Laststrom übernehmen kann.In systems with an inductive load, a continuous load current flows and the circuit breaker arrangement is designed in such a way that an electronic power actuator can take over the load current in every switching state.
Die Kommutierungsdauer bzw. die Kommutierungsgeschwindigkeit wird durch adaptive Ansteuerverfahren beeinflusst. Eine Prinzipdarstellung einer herkömmlichen Vorrichtung besteht aus einer übergeordneten Steuereinheit
Eine entsprechende Leistungsschalteranordnung
Um in jedem Schaltzustand den Laststrom führen zu können, muss die Anordnung mindestens ein aktiv schaltendes Stellglied (z. B. MOSFET) und ein passiv schaltendes Stellglied (z. B. Diode) beinhalten. Es können jedoch auch zwei aktiv schaltende Stellglieder verwendet werden, bei denen während der Schaltpausen ein zusätzliches passiv schaltendes Stellglied den Laststrom übernimmt.In order to be able to carry the load current in every switching state, the arrangement must contain at least one actively switching actuator (e.g. MOSFET) and one passively switching actuator (e.g. diode). However, two actively switching actuators can also be used, in which an additional passively switching actuator takes over the load current during the switching pauses.
Eine herkömmliche Leistungsschalteranordnung
Die beiden Leistungsschalter
Eine solche Leistungsschalteranordnung
Die Steuersignale auf den Steuersignalleitungen
Bei jedem Schaltvorgang muss die zweite Diode
Während des Ausschaltvorgangs des ersten Leistungsschalters
Beim Einschaltvorgang des ersten Leistungsschalters
Die Rückstromspitze durch die zweite Diode
Die beschriebenen Eigenschaften verursachen einen niedrigeren Wirkungsgrad der Leistungsschalteranordnung und verschlechtern die elektromagnetische Verträglichkeit, insbesondere die Störaussendung.The properties described cause a lower efficiency of the circuit breaker arrangement and worsen the electromagnetic compatibility, in particular the emission of interference.
Um diese Eigenschaften beeinflussen zu können, soll die Kommutierungsdauer und damit die Stromänderungsgeschwindigkeit während der Kommutierung zwischen zwei leistungselektronischen Stellgliedern geregelt werden.In order to be able to influence these properties, the commutation duration and thus the rate of current change during commutation between two power electronic actuators should be regulated.
Adaptive Ansteuerverfahren werden vorrangig in integrierten Treiberschaltkreisen implementiert. Um gezielt auf das Verhalten der aktiv schaltenden leistungselektronischen Stellglieder
Am Beispiel einer zum Teil herkömmlichen MOSFET-Halbbrücke aus
Damit ist eine Regelung der Kommutierungsdauer möglich. Mit steigender Kommutierungsdauer nimmt dabei die Schaltverlustleistung in den aktiven Stellgliedem
Ein Verfahren zur Regelung der Kommutierungsdauer zwischen leistungselektronischen Stellgliedern mit induktiver Last ist in der Druckschrift
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern einer Leistungsendstufe mit einem Schalter, einer Freilaufdiode und einer induktiven Last sind in der Druckschrift
Das Verfahren erscheint als geeignet für Anordnungen mit einem Leistungsschalter zu sein.The method appears to be suitable for arrangements with a circuit breaker.
Ein Problem besteht darin, dass bedingt durch die Laufzeiten in der Detektion Regelfehler entstehen, die zu nichtoptimalem Schaltverhalten führen. Das Verfahren ist nur für Leistungsendstufen mit einem Schalter anwendbar. Eine Erweiterung auf eine Halbbrücke ist bei diesem Verfahren nicht möglich, da hierzu noch zusätzlich die Freilaufrichtung zu bestimmen ist und für den aktiven Pfad und den nichtaktiven Pfad unterschiedliche Ansteuersignalfolgen zu generieren sind.One problem is that due to the delay times in the detection, control errors arise that lead to non-optimal switching behavior. The method can only be used for power output stages with a switch. An extension to a half-bridge is not possible with this method, since for this purpose the freewheeling direction must also be determined and different control signal sequences must be generated for the active path and the non-active path.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern mit induktiver Last anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine Verbesserung des EMV-Verhaltens bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad der an die Vorrichtung angeschlossenen Leistungsschalteranordnung durch eine Vermeidung von Anregungen der parasitären Reihenschwingkreise erreicht wird.The invention is based on the object of specifying a method and a device for regulating the commutation speed between series-connected power electronic actuators with inductive load, which are suitably designed so that an improvement in the EMC behavior with high efficiency of the circuit breaker arrangement connected to the device at the same time is achieved by avoiding excitations of the parasitic series resonant circuits.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 23 gelöst.The object of the invention is achieved by the features of
In dem Verfahren zur Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern mit induktiver Last sind die Stellglieder in einer Leistungsschalteranordnung zwischen einem positiven Versorgungspotenzial und einem Bezugspotenzial angeordnet, von denen mindestens ein Stellglied aktiv ein- und ausgeschaltet wird und über Steuersignalleitungen mit einer Ansteuerschaltung, die eine zentrale Steuerschaltung mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden ist, wobei der Ansteuerschaltung eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit vorgeschaltet ist, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 die Spannung oder der Strom auf der Steuersignalleitung des aktiv schaltenden Stellgliedes während eines Schaltvorgangs in mindestens zwei Zeitintervallen variiert wird, wobei mindestens ein Zeitintervall als Parameter auf einer ersten und einer zweiten, von einer einen Regelalgorithmus der digitalen Flankenregulierung aufweisenden Teilschaltung der zentralen Steuerschaltung zu einer Hilfssignalschaltung zur Erzeugung zeitverzögerter Hilfssignale für die Ansteuerung von Treiberstufen für zugehörige Treiberteilstromquellen der Stellglieder führenden Parameterübergabeleitung in Abhängigkeit von Messsignalen auf mindestens einem Messsignalabgriff aus der Leistungsschalteranordnung und in jeder Schaltperiode eines Signals auf einer Steuervorgabeschnittstelle von der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit um eine feste oder variable Schrittweite so adaptiv variiert und abgespeichert wird, dass nach einer endlichen Anzahl n≥1 von Schaltperioden die Kommutierungsdauer in einem festen Verhältnis zu einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall als Parameter auf einer dritten und einer vierten, von einer ein Register für die Kommutierungsdauer-Sollwerte darstellenden Teilschaltung der zentralen Steuerschaltung zu der Hilfssignalschaltung zur Erzeugung zeitverzögerter Hilfssignale für die Ansteuerung von Treiberstufen für zugehörige Treiberteilstromquellen der Stellglieder führenden Parameterübergabeleitung steht und auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen der Leistungsschalteranordnung in dem festen Verhältnis gehalten wird.In the method for regulating the commutation speed between series-connected power electronic actuators with inductive load, the actuators are arranged in a circuit breaker arrangement between a positive supply potential and a reference potential, of which at least one actuator is actively switched on and off and via control signal lines with a control circuit that contains a central control circuit with subcircuits located therein, the control circuit being preceded by a higher-level programming and control unit, the voltage or current on the control signal line of the actively switching actuator during a switching process in at least two time intervals according to the characterizing part of claim 1 is varied, with at least one time interval as a parameter on a first and a second, of one having a control algorithm of the digital edge regulation end sub-circuit of the central control circuit to an auxiliary signal circuit for generating time-delayed auxiliary signals for the control of driver stages for associated driver partial current sources of the actuators leading parameter transfer line depending on measurement signals on at least one measurement signal tap from the circuit breaker arrangement and in each switching period of a signal on a control input interface from the higher-level programming and Control unit is so adaptively varied and stored by a fixed or variable step size that after a finite number n≥1 of switching periods, the commutation period in a fixed ratio to a second predetermined time interval as a parameter on a third and a fourth, of a register for the Subcircuit, representing commutation duration setpoints, of the central control circuit for the auxiliary signal circuit for generating time-delayed auxiliary signals for the control of driver units fen stands for associated driver partial power sources of the actuators leading parameter transfer line and is kept in the fixed ratio even with changing operating conditions of the circuit breaker arrangement.
Die Parameter der Spannung und des Stromes auf den Steuersignalleitungen in den verschiedenen Zeitintervallen und die Dauer der konstanten Zeitintervalle auf der dritten und vierten Parameterübergabeleitung können durch die übergeordnete Programmier- und Steuereinheit vorgegeben und über die Schnittstellen in der Ansteuerschaltung abgespeichert werden.The parameters of the voltage and the current on the control signal lines in the different time intervals and the duration of the constant time intervals on the third and fourth Parameter transfer lines can be specified by the higher-level programming and control unit and stored in the control circuit via the interfaces.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die genannten Parameter fest in der Ansteuerschaltung zu implementieren.Another possibility is to permanently implement the parameters mentioned in the control circuit.
Durch eine Auswertung der zur Ansteuerschaltung zurückgeführten Messsignale auf den Messsignalabgriffen wird der aktuelle Zustand der Leistungsschalteranordnung derart bestimmt, dass das im nächsten Schaltvorgang die Kommutierung bestimmende, aktive Stellglied ausgewählt und gesteuert wird.By evaluating the measurement signals fed back to the control circuit on the measurement signal taps, the current state of the circuit breaker arrangement is determined in such a way that the active actuator determining the commutation in the next switching process is selected and controlled.
Die aus der Leistungsschalteranordnung bestimmten Messsignale auf den Messsignalabgriffen können derart ausgebildet sein, dass eine Spannung proportional zur Kommutierungsgeschwindigkeit in einem der Stellglieder durch eine in Reihe zu den Stellgliedern geschalteten Messinduktivität induziert wird.The measurement signals determined from the circuit breaker arrangement on the measurement signal taps can be designed in such a way that a voltage proportional to the commutation speed is induced in one of the actuators by a measuring inductance connected in series with the actuators.
Die in der Messinduktivität induzierte Spannung wird durch die Ansteuerschaltung ausgewertet, der aktuelle Zustand der Leistungsschalteranordnung bestimmt und gespeichert und steht über den Zustandsregisterausgang für nachgeschaltete Schaltungsteile der Ansteuerschaltung zur Verfügung.The voltage induced in the measuring inductance is evaluated by the control circuit, the current state of the circuit breaker arrangement is determined and stored and is available for downstream circuit parts of the control circuit via the status register output.
Die aus der Leistungsschalteranordnung bestimmten Messsignale auf den Messsignalabgriffen können des Weiteren auch derart ausgebildet sein, dass die Spannungen an den Steuersignalleitungen und am Lastanschluss der Leistungsschalteranordnung gemessen werden.The measurement signals determined from the circuit breaker arrangement on the measurement signal taps can furthermore also be designed in such a way that the voltages on the control signal lines and on the load connection of the circuit breaker arrangement are measured.
Die gemessene Spannung auf dem Messsignalabgriff am Lastanschluss kann durch Korrekturfaktoren derart beeinflusst werden, dass trotz einer Spannungsverfälschung der gemessenen Spannung infolge einer Kommutierung zwischen den leistungselektronischen Stellgliedern, der Zustand auf der Zustandsregisterausgangsleitung der dritten Teilschaltung dem tatsächlichen Zustand der Leistungsschalteranordnung entspricht.The measured voltage on the measurement signal tap at the load connection can be influenced by correction factors in such a way that despite a voltage corruption of the measured voltage as a result of commutation between the power electronic actuators, the state on the state register output line of the third subcircuit corresponds to the actual state of the circuit breaker arrangement.
Die aus der Leistungsschalteranordnung bestimmten Messsignale auf den Messsignalabgriffen werden in der Ansteuerschaltung ausgewertet und stehen auf den Zustandsregisterausgangsleitungen für nachgeschaltete Schaltungsteile zur Verfügung.The measurement signals determined from the circuit breaker arrangement on the measurement signal taps are evaluated in the control circuit and are available on the status register output lines for downstream circuit parts.
In der Vorrichtung zur Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern mit induktiver Last sind die Stellglieder in einer Leistungsschalteranordnung zwischen einem positiven Versorgungspotenzial und einem Bezugspotenzial angeordnet, von denen mindestens ein Stellglied aktiv ein- und ausgeschaltet wird und über Steuersignalleitungen mit einer Ansteuerschaltung, die eine zentrale Steuerschaltung mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden ist, wobei der Ansteuerschaltung eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit vorgeschaltet ist, betrieben nach dem vorgenannten Verfahren, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 23 mindestens ein aktiv schaltendes Stellglied durch die Steuersignalleitungen mit einer Ansteuerschaltung verbunden ist und durch mindestens einen Messsignalabgriff Messgrößen von der Leistungsschalteranordnung aufnimmt und Ansteuersequenzen für die aktiv schaltenden Stellglieder über Steuersignalleitungen in Abhängigkeit vom Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle und Programmierschnittstellen einer übergeordneten Programmier- und Steuereinheit erzeugt, wobei die Ansteuerschaltung folgende Baugruppen enthält:
- - eine Mess- und Bewertungsschaltung, welche Verbindungen zu den Messsignalabgriffen und zum Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle besitzt und über Zustandserfassungsleitungen Signale an die zentrale Steuerschaltung überträgt, welche in Verbindung zum Beginn und zum Ende der Kommutierung stehen,
- - die zentrale Steuerschaltung, welche mit der Mess- und Bewertungsschaltung über Zustandserfassungsleitungen verbunden ist und durch mindestens eine Signalleitung über die Steuervorgabeschnittstelle und durch mindestens eine Signalleitung zur Vorgabe von Zeitparametern auf der ersten Programmierschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit in Verbindung steht,
- - eine Hilfssignalschaltung, welche mit der zentralen Steuerschaltung durch Zustandsregisterausgangsleitungen, Parameterübergabeleitungen und Hilfssignalrückführungsleitungen in Verbindung steht und über mindestens eine Signalleitung der Steuervorgabeschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit verbunden ist,
- - mindestens zwei Ansteuerteilschaltungen, welche über Hilfssignalleitungen mit der Hilfssignalschaltung verbunden sind, und
- - mindestens zwei Treiberschaltungen, welche über Treibersteuerleitungen mit den Ansteuerteilschaltungen verbunden sind und durch Signalleitungen zur Vorgabe von Treiberteilstromniveaus auf der zweiten Programmierschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit in Verbindung stehen sowie über die Steuersignalleitungen mit der Leistungsschalteranordnung verbunden sind.
- - a measurement and evaluation circuit which has connections to the measurement signal taps and to the signal on the control input interface and transmits signals to the central control circuit via status detection lines which are connected to the start and end of the commutation,
- the central control circuit, which is connected to the measurement and evaluation circuit via status detection lines and is connected to the higher-level programming and control unit by at least one signal line via the control input interface and by at least one signal line for specifying time parameters on the first programming interface,
- - an auxiliary signal circuit which is connected to the central control circuit by status register output lines, parameter transfer lines and auxiliary signal return lines and is connected to the higher-level programming and control unit via at least one signal line of the control input interface,
- - At least two control subcircuits which are connected to the auxiliary signal circuit via auxiliary signal lines, and
- - at least two driver circuits which are connected to the control subcircuits via driver control lines and which are connected to the higher-level programming and control unit via signal lines for specifying partial driver current levels on the second programming interface and which are connected to the circuit breaker arrangement via the control signal lines.
Die zentrale Steuerschaltung besteht aus
- - einer ersten Teilschaltung als Speicher für den Beginn und das Ende der Kommutierung,
- - einer zweiten Teilschaltung als Speicher mit dem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung,
- - einer dritten Teilschaltung als Speicher und Kombinatorik zum Bestimmen und Speichern des aktuellen Zustandes der Leistungsschalteranordnung und
- - einer vierten Teilschaltung als Register für die Kommutierungdauer-Sollwerte.
- - a first sub-circuit as a memory for the beginning and the end of the commutation,
- - a second sub-circuit as a memory with the control algorithm of the digital edge control,
- - A third sub-circuit as a memory and combinatorial system for determining and storing the current state of the circuit breaker arrangement and
- - A fourth sub-circuit as a register for the commutation duration setpoints.
Weiterbildungen und spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.Further developments and special configurations of the invention are specified in further subclaims.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels mit Messung von Beginn und Ende der Kommutierung mittels der induzierten Spannung über der Induktivität in einem der Kommutierungspfade mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail using an exemplary embodiment with measurement of the beginning and end of the commutation by means of the induced voltage across the inductance in one of the commutation paths by means of several drawings.
Es zeigen:
-
1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines Gesamtsystems mit Erfassung und Rückkopplung des aktuellen Zustandes der Leistungsschalteranordnung nach dem Stand der Technik, -
2 einBlockschaltbild einer Ansteuerschaltung 2 mit einer übergeordneten Programmier-und Steuereinheit 1 , das in zwei Blockschaltteilbilder unterteilt ist, wobei-
2a ein Blockschaltteilbild einer Mess- und Bewertungsschaltung2-2 und eine zentrale Steuerschaltung2-1 mit zugehörigen Teilschaltungen2-1a ,2-1b ,2-1c ,2-1d und -
2b ein Blockschaltteilbild einer Hilfssignalschaltung2-3 , Ansteuerteilschaltungen2-4 und2-5 zur Erzeugung von Treibersteuersignalen und einer ersten und zweiten Treiberschaltung2-6 und2-7 in Form von Treiberstufen, die an die zentrale Steuerschaltung2-1 nach2a anschließbar sind,
-
-
3 eine als MOSFET-Halbbrücke ausgebildete Leistungsschalteranordnung 3 mit als MOSFET-Leistungsschalter ausgebildeten aktiv schaltenden Stellgliedern5-1 ,5-2 und als Dioden ausgebildeten passiv schaltenden Stellgliedern6-1 ,6-2 mit parasitären Induktivitäten, die an die Treiberschaltungen2-6 und2-7 nach2b anschließbar ist, -
4 eine schematische Darstellung der Signalverläufe eines ersten aktiv schaltenden Stellglieds5-1 in Form eines MOSFET-Leistungsschalters nach 3 während eines aktiven Einschaltvorgangs und eines aktiven Ausschaltvorgangs, -
5 mehrere Diagramme zum aktiven Einschaltvorgang des ersten Leistungsschalters5-1 nach 2 und3 , wobei-
5a ein Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle18 , einen aktuellen Zustand der Halbbrücke3 auf der Zustandsregisterausgangsleitung12 , -
5b die rückgeführte Spannung der Messinduktivität9 auf dem Messsignalabgriff10-1 , -
5c die Spannung der Steuersignalleitungen7-1 ,7-2 für die Leistungsschatter5-1 und5-2 sowie dieSpannung am Lastanschluss 8 der Halbbrücke 3 und -
5d den Strom durch die Leistungsschalter5-1 und5-2 sowie durch die zweite Freilaufdiode6-2 zeigen,
-
-
6 mehrere Diagramme zum aktiven Ausschaltvorgang des ersten Leistungsschalters5-1 nach den 2 und 3 , wobei-
6a ein Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle18 , einen aktuellen Zustand der Halbbrücke3 auf der Zustandsregisterausgangsleitung12 , -
6b die rückgeführte Spannung der Messinduktivität9 auf dem Messsignalabgriff10-1 , -
6c die Spannung der Steuersignalleitungen7-1 ,7-2 für die Leistungsschalter5-1 und5-2 sowie dieSpannung am Lastanschluss 8 der Halbbrücke 3 und -
6d den Strom durch die Leistungsschalter5-1 und5-2 sowie durch die zweite Freilaufdiode6-2 zeigen,
-
-
7 mehrere Diagramme für den Ausregelvorgang zur digitalen Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeit, wobei-
7a das Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle18 , -
7b dieSpannung am Lastanschluss 8 der Halbbrücke 3 -
7c den Strom durch den ersten Leistungsschalter5-1 und -
7d die variablen Zeitparameter auf den Parameterübergabeleitungen13-1 und13-2 zeigen,
-
-
8a ein allgemeines Blockschaltbild des Gesamtsystems unter Nutzung einer Messinduktivität9 und -
8b ein allgemeines Blockschaltbild des Gesamtsystems unter Nutzung mehrerer Messsignalabgriffe zur Messung vonSpannungen der Leistungsschalteranordnung 3 .
-
1 a greatly simplified block diagram of an overall system with detection and feedback of the current state of the circuit breaker arrangement according to the prior art, -
2 a block diagram of acontrol circuit 2 with a higher-level programming andcontrol unit 1 , which is divided into two block circuit diagrams, where-
2a a partial block diagram of a measurement and evaluation circuit2-2 and a central control circuit2-1 with associated sub-circuits2-1a ,2-1b ,2-1c ,2-1d and -
2 B a partial block diagram of an auxiliary signal circuit2-3 , Control subcircuits2-4 and2-5 for generating driver control signals and a first and second driver circuit2-6 and2-7 in the form of driver stages that are sent to the central control circuit2-1 to2a are connectable,
-
-
3 a power switch arrangement designed as a MOSFET half-bridge 3 with actively switching actuators designed as MOSFET power switches5-1 ,5-2 and passively switching actuators designed as diodes6-1 ,6-2 with parasitic inductances affecting the driver circuits2-6 and2-7 to2 B is connectable, -
4th a schematic representation of the signal curves of a first actively switching actuator5-1 in the form of aMOSFET power switch 3 during an active switch-on process and an active switch-off process, -
5 several diagrams for the active closing process of the first circuit breaker5-1 to2 and3 , in which-
5a a signal on the control specification interface18th , a current state of thehalf bridge 3 on the status register output line12th , -
5b the returned voltage of the measuring inductance9 on the measurement signal tap10-1 , -
5c the voltage of the control signal lines7-1 ,7-2 for the power switch5-1 and5-2 as well as the voltage at the load connection8th thehalf bridge 3 and -
5d the current through the circuit breaker5-1 and5-2 as well as by the second freewheeling diode6-2 demonstrate,
-
-
6th several diagrams for the active opening process of the first circuit breaker5-1 after the2 and3 , in which-
6a a signal on the control specification interface18th , a current state of thehalf bridge 3 on the status register output line12th , -
6b the returned voltage of the measuring inductance9 on the measurement signal tap10-1 , -
6c the voltage of the control signal lines7-1 ,7-2 for the circuit breakers5-1 and5-2 as well as the voltage at the load connection8th thehalf bridge 3 and -
6d the current through the circuit breaker5-1 and5-2 as well as by the second freewheeling diode6-2 demonstrate,
-
-
7th several diagrams for the compensation process for digital control of the commutation speed, whereby-
7a the signal on the control specification interface18th , -
7b the voltage at the load connection8th thehalf bridge 3 -
7c the current through the first circuit breaker5-1 and -
7d the variable time parameters on the parameter transfer lines13-1 and13-2 demonstrate,
-
-
8a a general block diagram of the overall system using a measuring inductance9 and -
8b a general block diagram of the overall system using several measurement signal taps to measure voltages in thecircuit breaker arrangement 3 .
Im Folgenden werden die
Zur Messung von Beginn und Ende der Kommutierung wird als Messinduktivität
Über der Messinduktivität
Anhand der Polarität des induzierten Spannungsimpulses und der Kenntnis über den Zustand des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle
Mit Steuerpfad wird dabei der Strompfad bezeichnet, welcher beim Einschalten des entsprechenden Leistungsschalters für einen Abfall der Versorgungsspannung
In der Tabelle 1 sind dazu die vier möglichen Kommutierungsvorgänge für die in
Die Detektion des aktuellen Steuerpfades ist insofern wesentlich, da nur im Falle eines aktiven Schaltens des Steuerpfades eine Regelung der Kommutierungsdauer notwendig ist. Wird der Freilaufpfad aktiv geschaltet, so findet die Kommutierung innerhalb eines Leistungsschalters zwischen der zweiten Diode
In
Die Mess- und Bewertungsschaltung
Die zentrale Steuerschaltung
- - einer ersten Teilschaltung
2-1a als Speicher für den Beginn und das Ende der Kommutierung, - - einer zweiten Teilschaltung
2-1b als Speicher mit dem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung, - - einer dritten Teilschaltung
2-1c als Speicher und Kombinatorik zum Bestimmen und Speichern des aktuellen Zustandes der Leistungsschalteranordnung und - - einer vierten Teilschaltung
2-1d als Register für die Kommutierungdauer-Sollwerte.
- - a first partial circuit
2-1a as a memory for the beginning and the end of commutation, - - a second sub-circuit
2-1b as a memory with the control algorithm of the digital edge control, - - a third sub-circuit
2-1c as a memory and combinatorial system for determining and storing the current state of the circuit breaker arrangement and - - a fourth sub-circuit
2-1d as a register for the commutation duration setpoints.
Die Hilfssignalschaltung
- - eine Vielzahl von Multiplexern,
- - in einer Kette geschaltete Verzögerungsglieder sowie
- - einen Demultiplexer, der eingangsseitig mit den Multiplexern in Verbindung steht und von dem aus ausgangsseitig Hilfssignalleitungen
15-1 ,15-2 an die Ansteuerteilschaltungen2-4 ,2-5 geführt sind.
- - a variety of multiplexers,
- - delay elements connected in a chain as well as
- - A demultiplexer which is connected on the input side to the multiplexers and from which auxiliary signal lines on the output side
15-1 ,15-2 to the control subcircuits2-4 ,2-5 are led.
Die beiden Ansteuerteilschaltungen
Jeweils eine Treiberschaltung
Von der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit
Die in der Messinduktivität
In der ersten, in der zentralen Steuerschaltung
In der zweiten Teilschaltung
Mithilfe der dritten Teilschaltung
Die Parameter auf den ersten beiden Parameterübergabeleitungen
In der vierten Teilschaltung
In der Hilfssignalschaltung
Ein nachgeschalteter Demultiplexer wählt die Hilfssteuersignale dann entsprechend dem aktuellen Halbbrückenzustand auf der Zustandsregisterausgangsleitung
Die erste Ansteuerteilschaltung
Über eine zweite Programmierschnittstelle
Um eine Kontrolle der Kommutierungsdauer zu ermöglichen, sind mindestens vier Treiberteilstromquellen
In
Jeder Schaltvorgang wird in zwei Zeitintervalle unterteilt wobei die Dauer des ersten Intervalls durch die Parameter auf der ersten und der zweiten Parameterübergabeleitung
In Tabelle 2 sind die einzelnen Zeitpunkte und Zeitintervalle für einen Einschaltvorgang beschrieben.
Tabelle 2: Verfahrensbeschreibung anhand der prinzipiellen Signalverläufe nach Fig. 4.
Der Ausschaltvorgang läuft in analoger Weise ab. Das erste Zeitintervall entsprechend dem Parameter auf der zweiten Parameterübergabeleitung
Die Parameter auf der dritten und vierten Parameterübergabeleitung
In
Die
In den
Des Weiteren sind die Verläufe der Zeitparameter der ersten und zweiten Parameterübergabeleitung
Erreichen die Parameter auf der ersten und zweiten Parameterübergabeleitung
Bei dem erfindungsgemäßen adaptiven Verfahren wird eine Messinduktivität
In der
Erfindungsgemäß ist mindestens ein aktiv schaltendes Stellglied
- - eine Mess- und Bewertungsschaltung
2-2 , welche Verbindungen zu den Messsignalabgriffen10-1 ,10-2 ,10-3 ,10-4 und zum Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle18 besitzt und über Zustandserfassungsleitungen11-1 ,11-2 Signale an die zentrale Steuerschaltung2-1 überträgt, welche in Verbindung zum Beginn und zum Ende der Kommutierung stehen, - - die zentrale Steuerschaltung
2-1 , welche mit der Mess- und Bewertungsschaltung2-2 über Zustandserfassungsleitungen11-x verbunden ist und durch mindestens eine Signalleitung18-1 über dieSteuervorgabeschnittstelle 18 und durch mindestens eine Signalleitung19-1 zur Vorgabe von Zeitparametern auf der ersten Programmierschnittstelle19 mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit1 in Verbindung steht, - - eine Hilfssignalschaltung
2-3 , welche mit der zentralen Steuerschaltung2-1 durch Zustandsregisterausgangsleitungen 12 , Parameterübergabeleitungen13-x und Hilfssignalrückführungsleitungen14-x in Verbindung steht und über mindestens eine Signalleitung18-1 der Steuervorgabeschnittstelle 18 mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit1 verbunden ist, - - mindestens zwei Ansteuerteilschaltungen
2-4 ,2-5 , welche über Hilfssignalleitungen15-1 ,15-2 mit der Hilfssignalschaltung2-3 verbunden sind, und - - mindestens zwei Treiberschaltungen
2-6 ,2-7 , welche über Treibersteuerleitungen16-x mit den Ansteuerteilschaltungen2-4 ,2-5 verbunden sind und durch Signalleitungen20-1 ,20-2 ,20-3 ,20-4 zur Vorgabe von Treiberteilstromniveaus auf der zweiten Programmierschnittstelle20 mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit1 in Verbindung stehen sowie über die Steuersignalleitungen7-1 ,7-2 mit der Leistungsschalteranordnung 3 verbunden sind.
- - a measurement and evaluation circuit
2-2 which connections to the measurement signal taps10-1 ,10-2 ,10-3 ,10-4 and to the signal on the control specification interface18th owns and via condition detection lines11-1 ,11-2 Signals to the central control circuit2-1 transmits which are connected to the beginning and the end of commutation, - - the central control circuit
2-1 , which with the measurement and evaluation circuit2-2 via condition detection lines11-x is connected and by at least one signal line18-1 via the control specification interface18th and by at least one signal line19-1 for specifying time parameters on the first programming interface19th with the higher-level programming andcontrol unit 1 is connected, - - an auxiliary signal circuit
2-3 , which with the central control circuit2-1 through status register output lines12th , Parameter transfer lines13-x and auxiliary signal return lines14-x is in communication and via at least one signal line18-1 the control specification interface18th with the higher-level programming andcontrol unit 1 connected is, - - at least two control subcircuits
2-4 ,2-5 , which via auxiliary signal lines15-1 ,15-2 with the auxiliary signal circuit2-3 connected, and - - at least two driver circuits
2-6 ,2-7 , which via driver control lines16-x with the control subcircuits2-4 ,2-5 are connected and by signal lines20-1 ,20-2 ,20-3 ,20-4 for specifying partial driver current levels on the second programming interface20th with the higher-level programming andcontrol unit 1 are in communication as well as via the control signal lines7-1 ,7-2 with thecircuit breaker arrangement 3 are connected.
Die Vorrichtung in
Insgesamt lässt sich mit diesem Verfahren ein deutlich besseres EMV-Verhalten durch Vermeidung von Anregungen der parasitären Reihenschwingkreise erreichen. Die Schaltverlustleistung bleibt aufgrund eines schnellen Durchschaltens vor und insbesondere nach der Kommutierung auf einem Niveau bereits bestehender Ansteuerverfahren. Material- und Entwicklungskosten für EMV-Filter zur Dämpfung des leitungsgebundenen Störspektrums können so eingespart werden.Overall, with this method, a significantly better EMC behavior can be achieved by avoiding excitations of the parasitic series resonant circuits. The switching power loss remains due to rapid switching before and especially after commutation at the level of already existing control methods. In this way, material and development costs for EMC filters for attenuating the conducted interference spectrum can be saved.
Der zusätzliche Aufwand für die Realisierung des Regelalgorithmus beschränkt sich auf die externe Messinduktivität und zusätzliche Chipfläche für den Treiberschaltkreis. Die Induktivität kann in den meisten Anwendungsfällen als definierter Leiterbahnabschnitt realisiert werden, wodurch keine zusätzlichen Materialkosten für externe passive Bauelemente entstehen.The additional effort for implementing the control algorithm is limited to the external measuring inductance and additional chip area for the driver circuit. In most applications, the inductance can be implemented as a defined conductor track section, which means that there are no additional material costs for external passive components.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Adaptierung über mehrere Schaltperioden vorgenommen. Unter dem erfindungsgemäßen adaptiven Verfahren werden Schritte verstanden, die über mehrere Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle eine sukzessive Annäherung der Regelungsparameter an das Regelziel, vorzugsweise an die vorgegebene Kommutierungsdauer, durchführen. Dadurch ist es möglich, vorausschauend den Treiberstrom zu reduzieren, bevor die parasitären Schwingkreise angeregt werden und Störungen auftreten.In contrast to the prior art, in the method according to the invention, an adaptation is carried out over several switching periods. The adaptive method according to the invention is understood to mean steps which carry out a successive approximation of the control parameters to the control target, preferably to the specified commutation period, over several switching periods of the signal on the control input interface. This makes it possible to reduce the driver current in advance, before the parasitic resonant circuits are excited and disturbances occur.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Übergeordnete Programmier- und SteuereinheitSuperordinate programming and control unit
- 22
- AnsteuerschaltungControl circuit
- 2-12-1
- zentrale Steuerschaltungcentral control circuit
- 2-1x2-1x
- TeilschaltungenSubcircuits
- 2-1a2-1a
- erste Teilschaltungfirst partial circuit
- 2-1 b2-1 b
- zweite Teilschaltungsecond partial circuit
- 2-1c2-1c
- dritte Teilschaltungthird partial circuit
- 2-1d2-1d
- vierte Teilschaltungfourth partial circuit
- 2-22-2
- Mess- und BewertungsschaltungMeasurement and evaluation circuit
- 2-32-3
- HilfssignalschaltungAuxiliary signal circuit
- 2-42-4
- erste Ansteuerteilschaltungfirst control subcircuit
- 2-52-5
- zweite Ansteuerteilschaltungsecond control subcircuit
- 2-62-6
- erste Treiberschaltungfirst driver circuit
- 2-72-7
- zweite Treiberschaltungsecond driver circuit
- 33
- LeistungsschalteranordnungCircuit breaker arrangement
- 44th
- Induktive LastInductive load
- 5-15-1
- erstes aktiv schaltendes Stellgliedfirst actively switching actuator
- 5-25-2
- zweites aktiv schaltendes Stellgliedsecond actively switching actuator
- 6-16-1
- erstes passiv schaltendes Stellgliedfirst passive switching actuator
- 6-26-2
- zweites passiv schaltendes Stellgliedsecond passive switching actuator
- 7-x7-x
- SteuersignalleitungenControl signal lines
- 7-17-1
- erste Steuersignalleitungfirst control signal line
- 7-27-2
- zweite Steuersignalleitungsecond control signal line
- 88th
- LastanschlussLoad connection
- 99
- MessinduktivitätMeasuring inductance
- 10-x10-x
- MesssignalabgriffeMeasurement signal taps
- 10-110-1
- erster Messsignalabgrifffirst measurement signal tap
- 10-210-2
- zweiter Messsignalabgriffsecond measurement signal tap
- 10-310-3
- dritter Messsignalabgriffthird measurement signal tap
- 10-410-4
- vierter Messsignalabgrifffourth measurement signal tap
- 11-x11-x
- ZustandserfassungsleitungenCondition detection lines
- 11-111-1
- erste Zustandserfassungsleitungfirst condition detection line
- 11-211-2
- zweite Zustandserfassungsleitungsecond condition detection line
- 1212th
- ZustandsregisterausgangsleitungStatus register output line
- 13-x13-x
- ParameterübergabeleitungenParameter transfer lines
- 13-113-1
- erste Parameterübergabeleitungfirst parameter transfer line
- 13-213-2
- zweite Parameterübergabeleitungsecond parameter transfer line
- 13-313-3
- dritte Parameterübergabeleitungthird parameter transfer line
- 13-413-4
- vierte Parameterübergabeleitungfourth parameter transfer line
- 14-x14-x
- HilfssignalrückführungsleitungenAuxiliary signal return lines
- 14-114-1
- erste Hilfssignalrückführungsleitungfirst auxiliary signal return line
- 14-214-2
- zweite Hilfssignalrückführungsleitungsecond auxiliary signal return line
- 15-x15-x
- HilfssignalleitungenAuxiliary signal lines
- 15-115-1
- erste Hilfssignalleitungfirst auxiliary signal line
- 15-215-2
- zweite Hilfssignalleitungsecond auxiliary signal line
- 16-x16-x
- TreibersteuerleitungenDriver control lines
- 16-1a16-1a
- TreibersteuerleitungDriver control line
- 16-1b16-1b
- TreibersteuerleitungDriver control line
- 16-2a16-2a
- TreibersteuerleitungDriver control line
- 16-2b16-2b
- TreibersteuerleitungDriver control line
- 16-3a16-3a
- TreibersteuerleitungDriver control line
- 16-3b16-3b
- TreibersteuerleitungDriver control line
- 16-4a16-4a
- TreibersteuerleitungDriver control line
- 16-4b16-4b
- TreibersteuerleitungDriver control line
- 17-x17-x
- TreiberteilstromquellenDriver partial power sources
- 17-1a17-1a
- TreiberteilstromquelleDriver partial power source
- 17-1 b17-1 b
- TreiberteilstromquelleDriver partial power source
- 17-2a17-2a
- TreiberteilstromquelleDriver partial power source
- 17-2b17-2b
- TreiberteilstromquelleDriver partial power source
- 17-3a17-3a
- TreiberteilstromquelleDriver partial power source
- 17-3b17-3b
- TreiberteilstromquelleDriver partial power source
- 17-4a17-4a
- TreiberteilstromquelleDriver partial power source
- 17-4b17-4b
- TreiberteilstromquelleDriver partial power source
- 1818th
- SteuervorgabeschnittstelleControl specification interface
- 18-118-1
- SignalleitungSignal line
- 1919th
- erste Programmierschnittstellefirst programming interface
- 19-119-1
- SignalleitungSignal line
- 2020th
- zweite Programmierschnittstellesecond programming interface
- 20-120-1
- SignalleitungSignal line
- 20-220-2
- SignalleitungSignal line
- 20-320-3
- SignalleitungSignal line
- 20-420-4
- SignalleitungSignal line
- VSVS
- VersorgungsspannungSupply voltage
- tt
- Zeittime
- ∂i9/∂t∂i9 / ∂t
- StromänderungsgeschwindigkeitCurrent rate of change
- M1M1
- Leistungs-MOSFETPower MOSFET
- M2M2
- Leistungs-MOSFETPower MOSFET
- +Vref+ Vref
- positives Referenzpotenzialpositive reference potential
- -Vref-Vref
- negatives Referenzpotenzialnegative reference potential
Claims (37)
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-
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| DE102008026500A1 (en) | 2009-07-09 |
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