DE102022200868A1 - Control of a flow valve - Google Patents
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Abstract
Steuervorrichtung (160) für ein Stromventil (155) in einer Halbbrücke (150) eines Stromrichters (120), wobei die Halbbrücke (150) einen Stromfluss durch eine elektrische Maschine (110) steuert; wobei die Steuervorrichtung (160) dazu eingerichtet ist, einen Betriebspunkt des Stromrichters (120) zu bestimmen; in Abhängigkeit des Betriebspunkts einen Gate-Widerstand zu bestimmen; und das Stromventil (155) mit dem Gate-Widerstand anzusteuern. Dabei erfolgt die Bestimmung des Gate-Widerstands mittels eines künstlichen neuronalen Netzwerks, das darauf trainiert ist, einen Gate-Widerstand zu bestimmen, der einen optimierten Kompromiss zwischen einer geringen Schwingung eines durch das Stromventil (155) fließenden Stroms und einer geringen Zeitverzögerung bis zum Erreichen eines vorbestimmten Stroms durch das Stromventil (155) darstellt.Control device (160) for a current valve (155) in a half-bridge (150) of a power converter (120), the half-bridge (150) controlling a current flow through an electrical machine (110); wherein the control device (160) is set up to determine an operating point of the power converter (120); to determine a gate resistance as a function of the operating point; and driving the current valve (155) with the gate resistance. The gate resistance is determined by means of an artificial neural network that is trained to determine a gate resistance that has an optimized compromise between a low oscillation of a current flowing through the current valve (155) and a small time delay until it is reached of a predetermined flow through the flow control valve (155).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung eines Stromventils. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung eines Stromventils in einer Halbbrücke, die einen Stromfluss durch eine elektrische Maschine steuert.The present invention relates to the control of a flow control valve. In particular, the invention relates to the control of a current valve in a half-bridge that controls current flow through an electrical machine.
Eine elektrische Maschine kann mittels eines Stromrichters aus einem Zwischenkreis gespeist werden. Der Zwischenkreis führt eine Gleichspannung und die elektrische Maschine ist beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine (PSM) ausgeführt. Der Stromrichter umfasst üblicherweise mehrere Halbbrücken, die jeweils ein erstes und ein zweites Stromventil umfassen. Das erste Stromventil kann einen Stromfluss zwischen einem hohen Potential des Zwischenkreises und einer Phase der elektrischen Maschine, und das zweite Stromventil zwischen der Phase und einem niedrigen Potential des Zwischenkreises steuern. Werden die Stromventile einer Halbbrücke alternierend mit einem passenden Tastverhältnis geöffnet und geschlossen, so stellt sich an der Phase ein vorbestimmtes Potential ein.An electrical machine can be fed from an intermediate circuit by means of a power converter. The intermediate circuit carries a DC voltage and the electrical machine is designed, for example, as a permanently excited synchronous machine (PSM). The power converter usually includes a number of half-bridges, each of which includes a first and a second flow control valve. The first current valve can control a current flow between a high potential of the intermediate circuit and a phase of the electrical machine, and the second current valve between the phase and a low potential of the intermediate circuit. If the current valves of a half-bridge are opened and closed alternately with a suitable pulse duty factor, a predetermined potential is established at the phase.
Die elektrische Maschine kann mittels des Stromrichters dazu angesteuert werden, eine vorbestimmte Drehrichtung einzunehmen, ein vorbestimmtes Drehmoment bereitzustellen oder sich mit einer vorbestimmten Drehzahl zu drehen. So kann die elektrische Maschine insbesondere als Antriebsmaschine für ein Fahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, eingesetzt werden. Um eine verlustarme, präzise und effiziente Steuerung durchzuführen, muss das Stromventil, wenn es angesteuert wird, den Stromfluss zwischen dem Zwischenkreis und der elektrischen Maschine möglichst rasch herstellen.The electrical machine can be controlled by the power converter to assume a predetermined direction of rotation, to provide a predetermined torque or to rotate at a predetermined speed. The electric machine can be used in particular as a drive machine for a vehicle, for example a passenger car. In order to carry out a low-loss, precise and efficient control, the current valve, when it is activated, must establish the current flow between the intermediate circuit and the electrical machine as quickly as possible.
Das Stromventil kann insbesondere einen Feldeffekt-Transistor oder einen Bipolartransistor, insbesondere einen IGBT umfassen. Ein Steueranschluss eines solchen Transistors wird Gate genannt und mittels eines Gate-Widerstands mit einer Stromquelle beziehungsweise einer Spannungsquelle verbunden, um das Stromventil anzusteuern. Je kleiner der Gate-Widerstand gewählt ist, desto rascher kann nach dem ersten Ansteuern ein durch das Stromventil fließender Strom einen vorbestimmten Schwellenwert erreichen. Allerdings tendiert der durch das Stromventil fließende Strom dazu, zu oszillieren. Je größer der Gate-Widerstand gewählt ist, desto rascher kann die Oszillation abklingen.The flow control valve can in particular include a field effect transistor or a bipolar transistor, in particular an IGBT. A control terminal of such a transistor is called the gate and is connected to a current source or a voltage source by means of a gate resistor in order to control the current valve. The lower the selected gate resistance, the faster a current flowing through the flow control valve can reach a predetermined threshold value after the first actuation. However, the current flowing through the flow control valve tends to oscillate. The larger the gate resistance is chosen, the faster the oscillation can decay.
Das Schwingungsverhalten eines Stromventils kann von einer Vielzahl Parameter abhängen. Beispielsweise können eine Sperrschichttemperatur des Stromventils, eine Frequenz, mit welcher das Stromventil angesteuert wird, oder eine Spannung des Zwischenkreises oder eine Streuinduktivität eines Schaltkreises das Schwingungsverhalten beeinflussen. Es kann daher schwierig sein, einen Gate-Widerstand zu wählen, der ausreichend groß ist, um Schwingungen des Stromflusses in akzeptabler Zeit abklingen zu lassen, und gleichzeitig ausreichend klein ist, um zu gewährleisten, dass nach dem ersten Ansteuern der durch das Stromventil fließende Strom einen vorbestimmten Schwellenwert früh genug erreicht.The vibration behavior of a flow control valve can depend on a large number of parameters. For example, a junction temperature of the flow control valve, a frequency with which the flow control valve is controlled, or a voltage in the intermediate circuit or a leakage inductance of a circuit can influence the oscillation behavior. It can therefore be difficult to choose a gate resistance that is large enough to allow current flow oscillations to decay in an acceptable time, yet small enough to ensure that the current flowing through the flow control valve reaches a predetermined threshold soon enough after the initial gating.
Es wurde vorgeschlagen, verschiedene Gate-Widerstände vorzusehen, und diese in Abhängigkeit eines Parameters für das Ansteuern des Stromventils zu verwenden. Allerdings kann es auf Grund der großen Anzahl relevanter Parameter schwierig sein, eine angemessene Wahl zu treffen.It has been proposed to provide different gate resistances and to use them depending on a parameter for driving the current valve. However, due to the large number of relevant parameters, it can be difficult to make an appropriate choice.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Technik zur Steuerung eines Stromventils in einer Halbbrücke eines Stromrichters. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.One of the objects on which the present invention is based is to specify an improved technique for controlling a flow control valve in a half-bridge of a power converter. The invention solves this problem by means of the subject matter of the independent claims. Subclaims reflect preferred embodiments.
Ein Stromrichter umfasst eine Halbbrücke mit einem Stromventil, wobei die Halbbrücke einen Stromfluss durch eine elektrische Maschine steuert. Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuervorrichtung für das Stromventil dazu eingerichtet, einen Betriebspunkt des Stromrichters zu bestimmen; in Abhängigkeit des Betriebspunkts einen Gate-Widerstand zu bestimmen; und das Stromventil mit dem Gate-Widerstand anzusteuern. Dabei erfolgt die Bestimmung des Gate-Widerstands mittels eines künstlichen neuronalen Netzwerks (KNN), das darauf trainiert ist, einen Gate-Widerstand zu bestimmen, der einen optimierten Kompromiss zwischen einer geringen Schwingung eines durch das Stromventil fließenden Stroms und einer geringen Zeitverzögerung bis zum Erreichen eines vorbestimmten Stroms durch das Stromventil darstellt.A power converter includes a half-bridge with a current valve, the half-bridge controlling a current flow through an electrical machine. According to a first aspect of the present invention, a control device for the flow control valve is set up to determine an operating point of the power converter; to determine a gate resistance as a function of the operating point; and driving the current valve with the gate resistor. The gate resistance is determined using an artificial neural network (ANN), which is trained to determine a gate resistance that represents an optimized compromise between low oscillation of a current flowing through the flow valve and a small time delay until a predetermined current is reached through the flow valve.
Das entsprechend trainierte künstliche neuronale Netzwerk kann es erlauben, den Gate-Widerstand rasch und zuverlässig bezüglich eines Betriebspunkts zu bestimmen, der eine Vielzahl physikalischer Parameter umfassen kann, die einen Betrieb des Stromrichters, insbesondere der Halbbrücke und weiter insbesondere des Stromventils, beeinflussen können. Das Stromventil kann mit einer vorbestimmten Taktung periodisch angesteuert werden, beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation (PWM), Puls-Pausen Modulation (PPM) oder einem anderen Pulsmodulationsverfahren. Dabei kann der Transistor für sehr kurze Zeit angesteuert werden, sodass er leitend wird und durchschaltet. Durch Variieren der Taktung kann der bereitgestellte Strom einem vorbestimmten Verlauf folgen, beispielsweise einem Sinusverlauf. Die Zeit, in der ein Stromventil eingeschaltet ist, kann sehr kurz sein und der Verlauf des nach dem ersten Einschalten durch das Stromventil fließenden Stroms kann sehr schnell sein, sodass eine konventionelle Bestimmung eines optimierten Gate-Widerstands bezüglich der Vielzahl Parameter zu langsam oder unverhältnismäßig aufwendig wäre. Durch die Steuerung des Gate-Widerstands in Abhängigkeit geltender Bedingungen kann eine Voraus-Steuerung implementiert sein, die mit geringem Aufwand gute Ergebnisse liefern kann, ohne eine Regelung zum Zeitpunkt der Ausführung zu erfordern. Das künstliche neuronale Netzwerk kann insbesondere mittels bestärkendem Lernen (Reinforcement Learning, DRL, deep RL) trainiert sein.The correspondingly trained artificial neural network can allow the gate resistance to be determined quickly and reliably with regard to an operating point, which can include a large number of physical parameters that can affect operation of the power converter, in particular the half-bridge and more particularly the current valve. The flow control valve can be controlled periodically with a predetermined timing, for example by means of pulse width modulation (PWM), pulse-pause modulation (PPM) or another pulse modulation method. The transistor can be controlled for a very short time so that it becomes conductive and switches through. By varying the timing, the provided Current follow a predetermined course, for example a sine wave. The time in which a current valve is switched on can be very short and the course of the current flowing through the current valve after the initial switch-on can be very fast, so that a conventional determination of an optimized gate resistance with regard to the multitude of parameters would be too slow or disproportionately expensive. By controlling the gate resistance as a function of prevailing conditions, a look-ahead control can be implemented that can yield good results with little effort, without requiring regulation at the time of execution. The artificial neural network can be trained in particular by means of reinforcement learning (Reinforcement Learning, DRL, deep RL).
Es ist bevorzugt, dass eine vorbestimmte Anzahl unterschiedlicher Gate-Widerstände vorgesehen ist, von denen einer für die Ansteuerung ausgewählt wird. Dabei können die Gate-Widerstände unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. Diese Ausführungsform kann schaltungstechnisch einfach zu realisieren sein und bewirkt, dass der Wert des Gate-Widerstands einen aus einer vorbestimmten Vielzahl vorbestimmter Werte einnimmt. In einer Fortentwicklung können auch mehrere, unterschiedlich große Gate-Widerstände parallel ausgewählt werden, sodass der wirksame Wert des Gate-Widerstands nach den Kirchhoffschen Gesetzen bestimmt werden kann.It is preferred that a predetermined number of different gate resistances are provided, one of which is selected for the drive. In this case, the gate resistors can have different resistance values. This embodiment can be implemented in a simple manner in terms of circuitry and has the effect that the value of the gate resistance assumes one of a predetermined multiplicity of predetermined values. In a further development, several gate resistances of different sizes can be selected in parallel, so that the effective value of the gate resistance can be determined according to Kirchhoff's laws.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass ein zeitlicher Verlauf des Gate-Widerstands bestimmt wird. Anders ausgedrückt kann der Wert des Gate-Widerstands verändert werden, nachdem das Stromventil angesteuert wurde. Beispielsweise kann initial ein niedriger Gate-Widerstand gewählt werden, um ein rasches Ansteigen des Stromflusses zu bewirken, und kurz darauf ein größerer Gate-Widerstand, um die Schwingung des Stromflusses rasch abklingen zu lassen. Der Gate-Widerstand kann für einen vorbestimmten Zeitschritt bestimmt werden oder es kann ein zeitlicher Verlauf von Gate-Widerständen bestimmt werden, der dann gesteuert wird. Der Verlauf kann mehrere Zeitschritte umfassen und in einer Ausführungsform die vollständige Dauer der Aktivierung des Stromventils umfassen.It is also preferred that a time profile of the gate resistance is determined. In other words, the value of the gate resistance can be changed after the current valve has been driven. For example, a low gate resistance can initially be chosen in order to cause the current flow to increase rapidly, followed shortly thereafter by a larger gate resistance in order to allow the current flow oscillation to decay quickly. The gate resistance can be determined for a predetermined time step or a time course of gate resistances can be determined, which is then controlled. The curve can include multiple time steps and, in one embodiment, include the entire duration of the activation of the flow control valve.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Gate-Widerstand nur zu vorbestimmten Zeitpunkten nach dem ersten Ansteuern geändert wird. Es kann eine vorbestimmte Anzahl Zeitpunkte nach dem ersten Ansteuern vorbestimmt sein, zu denen jeweils der wirksame Gate-Widerstand verändert werden kann. Dadurch kann ein Lösungsraum für das Auffinden eines optimalen Gate-Widerstands verkleinert sein.It is further preferable that the gate resistance is changed only at predetermined times after the first drive. There may be a predetermined number of times after the first drive at which the effective gate resistance may be changed. As a result, a solution space for finding an optimum gate resistance can be reduced.
Zeitliche Abstände zwischen aufeinander folgenden Zeitpunkten können sukzessive ansteigen. So kann berücksichtigt werden, dass unterschiedliche Werte für den Gate-Widerstand insbesondere unmittelbar nach dem ersten Ansteuern großen Einfluss auf das Schwingungsverhalten des Stromflusses haben. Je länger das Stromventil angesteuert ist, desto geringer kann der Einfluss der Größe des Gate-Widerstands sein. Durch die ungleichförmigen Abstände zwischen den vorbestimmten Zeitpunkten kann der Lösungsraum weiter verkleinert werden.Time intervals between consecutive points in time can increase successively. In this way, it can be taken into account that different values for the gate resistance have a major influence on the oscillation behavior of the current flow, particularly immediately after the first actuation. The longer the current valve is driven, the less influence the size of the gate resistance can have. The solution space can be further reduced by the non-uniform intervals between the predetermined points in time.
Das Trainieren des künstlichen neuronalen Netzwerks erfolgt bevorzugt bereits vor einem produktiven Einsatz der Steuervorrichtung. Allerdings kann die Steuervorrichtung auch dazu eingerichtet sein, das künstliche neuronale Netzwerk im laufenden Betrieb weiter zu trainieren. Dazu kann die Steuervorrichtung dazu eingerichtet sein, einen zeitlichen Verlauf des durch das angesteuerte Stromventil fließenden Stroms zu bestimmen; und das künstliche neuronale Netzwerk bezüglich des Betriebspunkts, des bestimmten Stromverlaufs und des zur Ansteuerung verwendeten Gate-Widerstands weiter zu trainieren.The training of the artificial neural network is preferably carried out before productive use of the control device. However, the control device can also be set up to continue training the artificial neural network during ongoing operation. For this purpose, the control device can be set up to determine a time profile of the current flowing through the controlled flow control valve; and to further train the artificial neural network with regard to the operating point, the determined current profile and the gate resistance used for control.
Durch das fortgesetzte Trainieren des künstlichen neuronalen Netzwerks im laufenden Betrieb der Steuervorrichtung kann ein häufig eingenommener Betriebspunkt verbessert sicher erlernt werden. Betriebspunkte, die im Rahmen eines vorausgehenden Trainings nur wenig oder gar nicht trainiert wurden, können verbessert oder zusätzlich erlernt werden. Für diese Zustände kann jeweils dynamisch ein Gate-Widerstand mit einem optimierten Widerstandswert bestimmt werden. Außerdem kann sich die Steuervorrichtung an ein individuelles schaltungstechnisches Umfeld selbst anpassen, das beispielsweise durch Bauteiltoleranzen oder Alterungseffekte charakterisiert sein kann.Through the continued training of the artificial neural network during ongoing operation of the control device, an operating point that is frequently assumed can be learned in an improved, reliable manner. Operating points that were only trained a little or not at all during previous training can be improved or additionally learned. A gate resistance with an optimized resistance value can be determined dynamically for each of these states. In addition, the control device can adapt itself to an individual circuitry environment, which can be characterized, for example, by component tolerances or aging effects.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbbrücke wenigstens ein Stromventil, das mittels einer hierin beschriebenen Steuervorrichtung angesteuert wird. Die Halbbrücke umfasst bevorzugt wenigstens zwei Stromventile, die durch dieselbe Steuervorrichtung alternierend angesteuert werden können. Dabei kann ein erstes Stromventil einen Stromfluss zwischen einem hohen Potential eines Zwischenkreises und der elektrischen Maschine und ein zweites Stromventil einen Stromfluss von der elektrischen Maschine zu einem niedrigen Potential des Zwischenkreises steuern. Die Stromventile können insbesondere durch Transistoren, beispielsweise FET oder IGBT, gebildet sein. Optional können auch mehrere erste und/oder mehrere zweite Stromventile parallel geschaltet sein, sodass sie im Wesentlichen wie ein erstes beziehungsweise zweites Stromventil wirken.According to a further aspect of the present invention, a half-bridge comprises at least one flow control valve, which is controlled by means of a control device described herein. The half-bridge preferably includes at least two flow control valves, which can be controlled in alternation by the same control device. A first current valve can control a current flow between a high potential of an intermediate circuit and the electrical machine and a second current valve can control a current flow from the electrical machine to a low potential of the intermediate circuit. The current valves can be formed in particular by transistors, for example FET or IGBT. Optionally, several first and/or several second flow control valves can also be connected in parallel, so that they essentially act like a first or second flow control valve.
Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Stromrichter wenigstens eine hierin beschriebene Halbbrücke. Bevorzugt umfasst der Stromrichter wenigstens drei Halbbrücken, die mit separaten Phasen der elektrischen Maschine verbunden werden können.According to yet another aspect of the present invention, a power converter includes at least one half-bridge as described herein. The power converter preferably includes at least three half-bridges that can be connected to separate phases of the electrical machine.
Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Achsantrieb eine elektrische Maschine und einen hierin beschriebenen Stromrichter. Der Achsantrieb kann für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie ein Personenkraftwagen, vorgesehen sein. Die elektrische Maschine kann eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM) umfassen. Die elektrische Maschine kann auf Räder wirken, die auf unterschiedlichen Seiten der Achse angebracht sind. Alternativ können zwei elektrische Maschinen vom Achsantrieb umfasst sein, die auf unterschiedlichen Seiten des Achsantriebs jeweils auf ein Rad wirken können. Jeder elektrischen Maschine ist bevorzugt ein Stromrichter zugeordnet. Ist mehr als ein Stromrichter vom Achsantrieb umfasst, so können zugeordnete Steuervorrichtungen miteinander kombiniert oder integriert ausgeführt sein.According to yet another aspect of the present invention, an axle drive includes an electric machine and a power converter described herein. The final drive can be provided for a vehicle, in particular for a motor vehicle such as a passenger car. The electrical machine can include a permanent magnet synchronous machine (PSM). The electric machine can act on wheels mounted on different sides of the axle. Alternatively, the axle drive can include two electrical machines, which can each act on a wheel on different sides of the axle drive. A power converter is preferably assigned to each electrical machine. If more than one power converter is included in the axle drive, associated control devices can be combined with one another or designed to be integrated.
Nach abermals einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fahrzeug eine elektrische Maschine und einen hierin beschriebenen Stromrichter. Die elektrische Maschine ist insbesondere als Antriebsmaschine ausgebildet und dazu eingerichtet, das Fahrzeug mittels eines Antriebsrads auf einem Untergrund zu bewegen.According to yet another aspect of the present invention, a vehicle includes an electric machine and a power converter as described herein. The electrical machine is designed in particular as a drive machine and is set up to move the vehicle on a surface by means of a drive wheel.
Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein erstes Verfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzwerks Schritte des Bestimmens eines Betriebspunkts eines Stromrichters, der eine Halbbrücke umfasst, die einen Stromfluss durch eine elektrische Maschine steuert; wobei die Halbbrücke ein Stromventil umfasst; des Bestimmens eines Gate-Widerstands in Abhängigkeit des Betriebspunkts; des Ansteuerns des Stromventils mit dem bestimmten Gate-Widerstand; des Erfassens eines Stromverlaufs durch das Stromventil; des Bewertens des Stromverlaufs bezüglich einer Schwingung und einer Zeitverzögerung bis zum Erreichen eines vorbestimmten Stromflusses; und des Anpassens des künstlichen neuronalen Netzwerks, um am Betriebspunkt das Bestimmen eines Gate-Widerstands zu verstärken, der einen Kompromiss zwischen den Kriterien optimiert.According to yet another aspect of the present invention, a first method for training an artificial neural network comprises the steps of determining an operating point of a power converter comprising a half-bridge that controls a current flow through an electrical machine; wherein the half-bridge comprises a flow control valve; determining a gate resistance as a function of the operating point; driving the current valve with the determined gate resistance; detecting a flow of current through the flow control valve; evaluating the course of the current with regard to an oscillation and a time delay until a predetermined current flow is reached; and adjusting the artificial neural network to enhance at the operating point determining a gate resistance that optimizes a trade-off between the criteria.
Das erste Verfahren kann mittels eines hierin beschriebenen Stromrichters an einer vorbestimmten elektrischen Maschine durchgeführt werden. Dazu kann die Steuervorrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen, der insbesondere das künstliche neuronale Netzwerk bildet. Das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Optional ist das Computerprogrammprodukt auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf eine hierin beschriebene Vorrichtung übertragen werden oder umgekehrt.The first method can be carried out on a predetermined electrical machine using a power converter described herein. For this purpose, the control device can include a programmable microcomputer or microcontroller, which in particular forms the artificial neural network. The method can be in the form of a computer program product with program code means. Optionally, the computer program product is stored on a computer-readable data carrier. Features or advantages of the method can be transferred to a device described herein or vice versa.
Das künstliche neuronale Netzwerk kann mittels Reinforcement Learning, insbesondere mittels Deep Reinforcement Learning trainiert werden. Dazu können wenigstens zwei Zielkriterien vorgegeben sein, von denen eines eine Schwingungsarmut des Stromverlaufs nach dem Schließen des Stromventils und das andere eine hohe Geschwindigkeit des Anstiegs des Stromflusses durch das Stromventil betreffen kann. Das KNN kann dazu trainiert werden, möglichst beide Kriterien zu optimieren. Dazu können die Kriterien in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander gewichtet sein.The artificial neural network can be trained using reinforcement learning, in particular using deep reinforcement learning. For this purpose, at least two target criteria can be specified, one of which can relate to a low level of oscillation in the current profile after the flow control valve has closed and the other to a high rate of increase in the current flow through the flow control valve. The ANN can be trained to optimize both criteria if possible. To this end, the criteria can be weighted in a predetermined ratio to one another.
Der Betriebspunkt kann mittels eines oder mehrerer Sensoren am Stromrichter bestimmt werden. Zusätzliche Parameter des Betriebspunkts können aus zeitlichen Ableitungen eines gemessenen Parameters hervorgehen. Der Betriebspunkt kann auch einen Parameter umfassen, der aus einer Anforderung an den Stromrichter oder ein Verhalten der angeschlossenen elektrischen Maschine abgeleitet ist. Beispielsweise kann der Betriebspunkt eine oder mehrere Temperaturen an einem Element des Stromrichters, insbesondere einem der Stromventile, umfassen, ein angefordertes oder bestehendes Drehmoment der elektrischen Maschine, eine angeforderte oder bestehende Drehzahl der elektrischen Maschine, eine angeforderte oder bestehende Drehbeschleunigung der elektrischen Maschine, eine Drehstellung der elektrischen Maschine, eine Spannung des Zwischenkreises, einen Ladezustand oder eine Temperatur eines mit dem Zwischenkreis verbundenen elektrischen Energiespeichers, der insbesondere einen Akku umfassen kann, einen Stromfluss durch eine der Phasen der elektrischen Maschine oder ein anderer, insbesondere elektrischer Parameter.The operating point can be determined using one or more sensors on the power converter. Additional parameters of the operating point can emerge from time derivatives of a measured parameter. The operating point can also include a parameter that is derived from a requirement for the power converter or a behavior of the connected electrical machine. For example, the operating point can include one or more temperatures at an element of the power converter, in particular one of the flow control valves, a requested or existing torque of the electrical machine, a requested or existing speed of the electrical machine, a requested or existing rotational acceleration of the electrical machine, a rotational position of the electrical machine, a voltage of the intermediate circuit, a state of charge or a temperature of an electrical energy store connected to the intermediate circuit, which can in particular include a rechargeable battery, a current flow through one of the phases of the electrical machine or another, in particular electrical, parameter.
Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein zweites Verfahren zum Steuern eines Stromventils in einer Halbbrücke eines Stromrichters, wobei die Halbbrücke einen Stromfluss durch eine elektrische Maschine steuert, Schritte des Bestimmens eines Betriebspunkts des Stromrichters; des Bestimmens eines Gate-Widerstands in Abhängigkeit des Betriebspunkts; und des Ansteuerns des Stromventils mit dem Gate-Widerstand. Dabei erfolgt die Bestimmung des Gate-Widerstands mittels eines künstlichen neuronalen Netzwerks, das darauf trainiert ist, einen Gate-Widerstand zu bestimmen, der einen optimierten Kompromiss zwischen einer geringen Schwingung eines durch das Stromventil fließenden Stroms und einer geringen Zeitverzögerung bis zum Erreichen eines vorbestimmten Stroms durch das Stromventil darstellt.According to yet another aspect of the present invention, a second method for controlling a current valve in a half-bridge of a power converter, the half-bridge controlling a current flow through an electrical machine, comprises steps of determining an operating point of the power converter; determining a gate resistance as a function of the operating point; and driving the current valve with the gate resistor. The gate resistance is determined using an artificial neural network that is trained to determine a gate resistance that offers an optimized compromise between a low oscillation of a represents the current flowing through the flow control valve and a small time delay until a predetermined current is reached through the flow control valve.
Das zweite Verfahren kann ebenfalls mittels eines hierin beschriebenen Stromrichters an einer vorbestimmten elektrischen Maschine durchgeführt werden. Das erste und das zweite Verfahren sind durch die vorliegende erfinderische Idee miteinander verbunden. Merkmale oder Vorteile können auch unter den Verfahren oder zwischen dem zweiten Verfahren und einer hierin beschriebenen Vorrichtung übertragen werden.The second method can also be carried out using a power converter described herein on a predetermined electrical machine. The first and the second method are connected to each other by the present inventive idea. Features or advantages may also be transferred among the methods or between the second method and an apparatus described herein.
Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein hierin beschriebenes Verfahren ganz oder teilweise auszuführen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auch auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert sein. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Vorrichtung übertragen werden oder umgekehrt.The processing device can be set up to carry out a method described herein in whole or in part. For this purpose, the processing device can include a programmable microcomputer or microcontroller, and the method can be in the form of a computer program product with program code means. The computer program product can also be stored on a computer-readable data carrier. Features or advantages of the method can be transferred to the device or vice versa.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
-
1 ein System mit einem Stromrichter; -
2 eine Halbbrücke in einem Stromrichter; -
3 Stromverläufe in Abhängigkeit unterschiedlicher Gate-Widerstände an einem Stromventil; und -
4 Ablaufdiagramme zweier Verfahren darstellt.
-
1 a system with a power converter; -
2 a half-bridge in a power converter; -
3 Current curves as a function of different gate resistances on a current valve; and -
4 Shows flowcharts of two methods.
Der Stromrichter 120 kann zusammen mit der elektrischen Maschine 110 Teil eines elektrischen Achsantriebs 145 sein. Der Achsantrieb 145 kann auch das Antriebsrad 115 umfassen.The
Der Stromrichter 120 umfasst in der vorliegenden, schematischen Darstellung drei Halbbrücken 150, die jeweils zwei Stromventile 155 umfassen, von denen eines einen Stromfluss zwischen dem hohen Potential 135 und einer zugeordneten Phase der elektrischen Maschine 110 und das andere einen Stromfluss von der elektrischen Maschine 110 zum niedrigen Potential 140 des Zwischenkreises 125 steuert. Die Stromventile 155 der Halbbrücken 150 können jeweils mittels einer Steuervorrichtung 160 angesteuert werden. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Halbbrücken 150 vorgesehen, die mit drei Phasen der elektrischen Maschine 110 verbunden sind und mittels einer gemeinsamen Steuervorrichtung 160 gesteuert werden können.In the present schematic representation,
Ein zwischen der elektrischen Maschine 110 und einer Halbbrücke 150 des Stromrichters 120 fließender Strom kann mittels eines Stromsensors 165 bestimmt werden. Die Steuerung der einzelnen Ströme durch die elektrische Maschine 110 erfolgt in Abhängigkeit einer Anforderung, welche die Steuervorrichtung 160 über eine Schnittstelle 170 entgegennehmen kann. Dabei kann ein Zustand der elektrischen Maschine 110 berücksichtigt werden, der beispielsweise durch einen Drehwinkel und durch die einzelnen Phasen fließende Ströme definiert sein kann. A current flowing between
Die Steuervorrichtung 160 kann zur Ansteuerung der Stromventile 155 noch weitere Parameter berücksichtigen, die insbesondere mittels zugeordneter Sensoren bestimmt werden können, die in
Der Treiber 205 kann mehrere Widerstände 210 umfassen, von denen einer ausgewählt werden kann, um als Gate-Widerstand für das zugeordnete Stromventil 155 zu wirken. Die einzelnen Widerstände 210 sind bevorzugt unterschiedlich groß, sodass in Abhängigkeit der Wahl eines Widerstands 210 ein größerer oder kleinerer Steuerstrom durch den Gate-Anschluss des Stromventils 155 fließt und einen korrespondierenden Stromfluss zwischen den verbleibenden beiden Anschlüssen des Stromventils 155 ermöglicht.The
Wird das Stromventil 155 angesteuert, um es zu öffnen, hängt der resultierende Stromverlauf von einem wirksamen Gate-Widerstand ab. Ein erster Stromverlauf 315 wird durch einen ersten Gate-Widerstand 320 bewirkt, der bewusst klein gewählt ist. Zwar steigt der erste Stromverlauf 315 nach einer Latenzzeit von vorliegend beispielhaft ca. 8 ns sehr rasch an, sodass er ca. 12 ns nach dem Ansteuern ein Maximum erreicht hat, jedoch geht er anschließend in eine aperiodische Schwingung über, die auch ca. 50 ns nach dem ersten Ansteuern noch nicht abgeklungen ist.If the
Ein zweiter Stromverlauf 325 korrespondiert zu einem zweiten Gate-Widerstand 330, der bewusst groß gewählt ist. Der zweite Stromverlauf 325 erreicht sein Maximum erst ca. 14 ns nach dem ersten Ansteuern, fällt dann aber nicht so weit ab wie der erste Verlauf 315, oszilliert mit relativ starker Dämpfung und hat nach ca. 50 ns annähernd die Qualität eines Gleichstroms erreicht.A second
Ein dritter Stromverlauf 335 bildet einen Kompromiss beziehungsweise eine optimierte Kombination von Eigenschaften der Verläufe 315 und 325, indem hier der durch das Stromventil 155 fließende Strom nach dem Einschalten möglichst rasch ansteigen, danach aber einer möglichst geringen Schwingung unterliegt. Dazu wird ein dritter Gate-Widerstand 340 gebildet, der initial zwischen den Widerstandswerten des ersten Gate-Widerstands 320 und des zweiten Gate-Widerstands 330 liegt und in der vorliegenden Darstellung zeitlich veränderlich ist. Dabei kann der Gate-Widerstand unterschiedliche diskrete Widerstandswerte annehmen.A third
Es wird vorgeschlagen, ein künstliches neuronales Netzwerk darauf zu trainieren, in Abhängigkeit eines vorliegenden Betriebspunkts eines umgebenden Stromrichters 120, der einen Betriebspunkt einer umfassten Halbbrücke 150 und insbesondere einen Betriebspunkt eines Stromventils 155 umfassen kann, den Gate-Widerstand des Stromventils 155 so zu bestimmen, dass zwei Kriterien optimiert werden, die an den Stromverläufen 315 und 325 zu erkennen sind. Der erste Stromverlauf 315 steigt beim ersten Öffnen des Stromventils 155 sehr rasch an.It is proposed to train an artificial neural network to determine the gate resistance of the
Ein erstes Kriterium kann daher lauten, dass ein vorbestimmter Stromfluss durch das Stromventil 155 möglichst rasch nach dem ersten Ansteuern des Stromventils 155 erreicht werden soll. In anderen Ausführungsformen kann das erste Kriterium auch lauten, dass der Stromfluss nach dem ersten Ansteuern möglichst steil ansteigen soll. In wieder einer anderen Ausführungsform kann das erste Kriterium aussagen, dass der Stromfluss nach einer vorbestimmten Zeit nach dem ersten Ansteuern des Stromventils 155 einen vorbestimmten Stromwert erreicht haben soll.A first criterion can therefore be that a predetermined flow of current through the
Ein zweites Kriterium kann lauten, dass der Stromfluss nach dem ersten Ansteuern einer möglichst geringen Schwingung unterworfen sein soll, die möglichst schnell abklingt. Die Schwingung kann beispielsweise bezüglich ihrer Amplitude oder bezüglich ihrer Dämpfung bewertet werden. Das zweite Kriterium kann eine möglichst hohe Dämpfung, die mit einem raschen Abklingen der Schwingung unter eine vorbestimmte Amplitude verbunden ist, fordern. Das zweite Kriterium kann auch fordern, dass ein vorbestimmter Stromfluss nicht oder möglichst selten unterschritten werden soll. Beispielsweise kann gefordert werden, dass der Stromfluss 0 nicht unterschreitet. Dies ist in der vorliegenden Darstellung beim ersten Stromfluss 315 nicht der Fall. Ein anderer Schwellenwert, insbesondere größer 0, kann ebenfalls angesetzt werden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das zweite Kriterium fordern, dass ein über die Zeit integrierter Strom, der durch das Stromventil 155 fließt, maximiert ist. Für das zweite Kriterium kann ein vorbestimmter zeitlicher Bereich nach dem ersten Ansteuern des Stromventils 155 betrachtet werden.A second criterion can be that the current flow, after the first actuation, should be subject to as little oscillation as possible, which should decay as quickly as possible. The vibration can be evaluated, for example, with regard to its amplitude or with regard to its damping. The second criterion can require the highest possible damping, which is associated with rapid decay of the vibration below a predetermined amplitude. The second criterion can also require that a predetermined current flow should not be undershot or should be undershot as seldom as possible. For example, it can be required that the current flow does not fall below 0. This is not the case for the first
In einem Schritt 405 des ersten Verfahrens 400 kann ein Betriebspunkt des Stromrichters 120 bestimmt werden. Dazu kann eine Vielzahl Parameter bestimmt werden, die die Funktion und/oder den Zustand von Bauteilen des Stromrichters 120 oder damit verbundener Komponenten reflektieren. Bezüglich eines einzigen Stromventils 155 können dabei 10 oder mehr, bevorzugt 20 oder mehr Parameter berücksichtigt werden. Der Betriebspunkt kann durch einen Vektor ausgedrückt sein, der einen Wert für jeden der festgelegten Parameter umfasst.In a
In einem Schritt 410 kann ein Gate-Widerstand für ein betrachtetes Stromventil 155 bestimmt werden. Dazu kann bezüglich des bestimmten Betriebspunkts mittels eines KNN ein optimierter Gate-Widerstand bestimmt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann ein vorbestimmter zeitlicher Verlauf des Gate-Widerstands bestimmt werden. Der Gate-Widerstand oder sein Verlauf können systematisch oder pseudozufällig in einem Lösungsraum variiert werden, der durch Freiheitsgrade des Gate-Widerstands definiert ist. Beispielsweise kann der Gate-Widerstand zwischen einem vorbestimmten minimalen und einem vorbestimmten maximalen Wert liegen. Im Fall eines Verlaufs des Gate-Widerstands kann sich der Widerstandswert des Gate-Widerstands in einem vorbestimmten quantitativen und/oder zeitlichen Raster verändern. Der Widerstand kann mittels des noch untrainierten oder nur teilweise trainierten KNN bestimmt werden.In a
In einem Schritt 415 kann das Stromventil 155 mit dem bestimmten Gate-Widerstand angesteuert werden. Im Fall eines bestimmten zeitlichen Verlaufs des Gate-Widerstands wird das Stromventil 155 bevorzugt nach dem bestimmten Verlauf angesteuert; eine Reaktion eines sich während des Verlaufs ändernden Parameters ist bevorzugt nicht vorgesehen.In a
In einem Schritt 420 kann ein durch das Stromventil 155 verlaufender Strom erfasst werden. Dabei wird bevorzugt ein zeitlicher Verlauf des Stroms in einem vorbestimmten Zeitbereich erfasst.In a
In einem Schritt 425 kann das künstliche neuronale Netzwerk bezüglich eines oder mehrerer Kriterien trainiert werden, die auf der Basis des bestimmten Stromverlaufs bestimmt werden können. Die Kriterien sind üblicherweise konkurrierend, indem sie ein rasches Ansteigen des Stromflusses und ein rasches Abklingen einer Schwingung des Stromflusses betreffen. Optional können die Kriterien in einer vorbestimmten Weise gewichtet werden. Bezüglich der beschriebenen Kriterien kann eine Qualität des bestimmten Gate-Widerstands bzw. seines Verlaufs bestimmt werden und das KNN kann durch verstärkendes Lernen dazu gebracht werden, eine sich als erfolgreich erwiesene Lösung für den Gate-Widerstand in einem ähnlichen Betriebspunkt bevorzugt zu bestimmen.In a
Das Verfahren 400 kann sehr oft zyklisch durchgeführt werden, wobei die Bestimmungsqualität des KNN sukzessive verbessert werden kann. Bevorzugt wird das erste Verfahren 400 bezüglich einer Vielzahl Betriebspunkte durchgeführt. Dabei können insbesondere Betriebspunkte vorgegeben sein, die an einem realen Stromrichter 120 beobachtet wurden und für relevant befunden wurden. Die Betriebspunkte können auch beispielsweise in regelmäßigen Abständen im Vektorraum aller möglichen Betriebspunkte gewählt sein.The
Das zweite Verfahren 450 kann verwendet werden, um einen Stromrichter 120 zu betreiben. In einem Schritt 455 kann ein Betriebspunkt des Stromrichters 120 bestimmt werden. Dieser Schritt kann dem Schritt 405 des ersten Verfahrens 400 entsprechen.The
In einem Schritt 460 kann ein Gate-Widerstand für das betrachtete Stromventil 155 bestimmt werden, indem der Vektor des Betriebspunkts an das künstliche neuronale Netzwerk angelegt wird, das im ersten Verfahren 400 trainiert wurde. Das KNN kann dann einen optimierten Gate-Widerstand bzw. einen optimierten zeitlichen Verlauf eines Gate-Widerstands bereitstellen.In a step 460 a gate resistance for the
In einem Schritt 465 kann das Stromventil 155 mit dem bestimmten Gate-Widerstand bzw. dessen zeitlichem Verlauf angesteuert werden. Dieser Schritt kann dem Schritt 420 des ersten Verfahrens 400 entsprechen.In a
Wie durch den Blockpfeil angedeutet ist, benötigt das zweite Verfahren 450 ein trainiertes künstliches neuronales Netzwerk, das beispielsweise mittels des ersten Verfahrens 400 trainiert worden sein kann. Die Verfahren 400 und 450 unterscheiden sich in nur wenigen Schritten. In einer Ausführungsform kann das erste Verfahren 400 auch im Sinne des zweiten Verfahrens 450 weiter ausgeführt werden, nachdem das künstliche neuronale Netzwerk bereits bis zu einem gewissen Punkt trainiert wurde. So kann das KNN im laufenden Betrieb, während der Steuerung einer elektrischen Maschine 110, weiter optimierte Gate-Widerstände für bestimmte Betriebspunkte bestimmen.As indicated by the block arrow, the
Das KNN kann es erlauben, einen großen Zustandsraum auf einen kleinen Aktionsraum abzubilden. Der Zustandsraum st kann einen durch das Stromventil 155 fließenden Strom I und seine Ableitung oder Ableitungen, sowie einen Zustand Ω des aktuell verwendeten Gate-Widerstands 210 umfassen:
Der Aktionsraum at repräsentiert bevorzugt Design Entscheidungen für den Zustand des Gate-Widerstands 210 in einem Zeitschritt, der auf einen aktuellen Zeitschritt folgt. Dieser Zustand kann als absoluter Wert bestimmt sein. Alternativ kann der Zustand als inkrementeller Wert des ohmschen Widerstandswerts des Gate Widerstands 210 bestimmt sein, beispielsweise als eine der Angaben „Gate-Widerstand beibehalten“, „Gate-Widerstand verringern“ und „Gate-Widerstand vergrößern“. Das Verkleinern oder Vergrößern kann jeweils um einen vorbestimmten Betrag erfolgen.
Das Trainieren des KNN folgt bevorzugt dem zentralen Ansatz des Deep Reinforcement Learning (DRN) zur Bestimmung des Werts der Aktionsfunktion auf der Basis der Bellman Gleichung als iterative Aktualisierung:
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Systemsystem
- 105105
- Fahrzeugvehicle
- 110110
- elektrische Maschineelectric machine
- 115115
- Antriebsraddrive wheel
- 120120
- Stromrichterpower converter
- 125125
- Zwischenkreisintermediate circuit
- 130130
- Zwischenkreiskondensatorintermediate circuit capacitor
- 135135
- hohes Potentialhigh potential
- 140140
- niedriges Potentiallow potential
- 145145
- elektrischer Achsantriebelectric axle drive
- 150150
- Halbbrückehalf bridge
- 155155
- Stromventilflow valve
- 160160
- Steuervorrichtungcontrol device
- 165165
- Stromsensorcurrent sensor
- 170170
- Schnittstelle interface
- 205205
- Treiberdriver
- 210210
- Gate-Widerstand gate resistance
- 305305
- erstes Diagrammfirst diagram
- 310310
- zweites Diagrammsecond chart
- 315315
- erster Stromverlauf (schnell)first current flow (fast)
- 320320
- erster Gate-Widerstand (niedrig)first gate resistor (low)
- 325325
- zweiter Stromverlauf (schwingungsarm)second current flow (low vibration)
- 330330
- zweiter Gate-Widerstand (groß)second gate resistor (large)
- 335335
- dritter Stromverlauf (optimiert)third current flow (optimized)
- 340340
- dritter Gate-Widerstand (optimiert) third gate resistor (optimized)
- 400400
- erstes Verfahrenfirst procedure
- 405405
- Bestimmen des BetriebspunktsDetermining the operating point
- 410410
- Bestimmen eines Gate-WiderstandsDetermining a gate resistance
- 415415
- Ansteuern eines Stromventils mit dem Gate-WiderstandDriving a current valve with the gate resistor
- 420420
- Erfassen eines Stromverlaufs durch das StromventilDetecting a flow of current through the flow control valve
- 425425
- Trainieren eines KNN Training an ANN
- 450450
- zweites Verfahrensecond procedure
- 455455
- Bestimmen des BetriebspunktsDetermining the operating point
- 460460
- Bestimmen eines Gate-Widerstands per KNNDetermining a gate resistance using KNN
- 465465
- Ansteuern eines Stromventils mit dem Gate-WiderstandDriving a current valve with the gate resistor
Claims (12)
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|---|---|---|---|
| DE102022200868.5A DE102022200868A1 (en) | 2022-01-26 | 2022-01-26 | Control of a flow valve |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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-
2022
- 2022-01-26 DE DE102022200868.5A patent/DE102022200868A1/en active Pending
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|---|
| MENG, Z. et al: Prediction Method of Driving Strategy of High-Power IGBT Module Based on MEA-BP Neural Network. In: IEEE Access, vol. 8, 2020, S: 94731-94747. [doi: 10.1109/ACCESS.2020.2995601] |
| WIKIPEDIA - Künstliches neuronales Netzwerk - Version vom 09.01.2022 |
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