DE102023202008A1 - Method for optimizing a pulse pattern for controlling an inverter - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren eines Pulsmusters zum Ansteuern eines vorzugsweise mehrphasigen Wechselrichters (100) insbesondere mit synchroner Taktung, wobei der Wechselrichter (100) zum Bestromen einer elektrischen Maschine (14) mit mehreren Spulenwicklungen einen Zwischenkreis, an dem eine Zwischenkreisspannung anliegt, und eine Phase (104. 106, 108) für jede Spulenwicklung mit mehreren Leistungsschaltern (S1-S6) aufweist, die eine Highside-Einrichtung und eine Lowside-Einrichtung einer Halbbrücke bilden, das Verfahren umfassend:
- Einlesen einer Wechselrichterspannung in Abhängigkeit von einem Schaltwinkel des Wechselrichters (100), wobei die Wechselrichterspannung mittels einer Phase (104, 106, 108) des Wechselrichters (100) und basierend der Zwischenkreisspannung bereitgestellt ist;
- Einlesen einer basierend auf der Wechselrichterspannung in der elektrischen Maschine (14) induzierten Spannung;
- Ermitteln mehrerer Oberschwingungen einer Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung, vorzugsweise mittels Fourierentwicklung;
- Bestimmen mehrerer Werte des Schaltwinkels, bei denen eine Summe der ermittelten Oberschwingungen im Minimum liegt;
- Generieren eines Pulsmusters basierend auf den bestimmten Werten des Schaltwinkels zum Schalten der Leistungsschalter (S1-S6).
The present invention relates to a method for optimizing a pulse pattern for controlling a preferably multi-phase inverter (100), in particular with synchronous clocking, wherein the inverter (100) for energizing an electrical machine (14) with a plurality of coil windings has an intermediate circuit to which an intermediate circuit voltage is applied and a phase (104, 106, 108) for each coil winding with a plurality of power switches (S1-S6) which form a high-side device and a low-side device of a half-bridge, the method comprising:
- Reading in an inverter voltage as a function of a switching angle of the inverter (100), wherein the inverter voltage is provided by means of a phase (104, 106, 108) of the inverter (100) and based on the intermediate circuit voltage;
- reading in a voltage induced in the electrical machine (14) based on the inverter voltage;
- Determining several harmonics of a difference between the inverter voltage and the corresponding induced voltage, preferably by means of Fourier expansion;
- Determining several values of the switching angle at which a sum of the determined harmonics is at a minimum;
- Generating a pulse pattern based on the determined values of the switching angle for switching the circuit breakers (S1-S6).
Description
Die Erfindung betrifft das Bestromen bzw. die Steuerung einer elektrischen Maschine bzw. einer Drehfeldmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Optimieren eines Pulsmusters zum Ansteuern eines DC/AC-Wechselrichters (Inverters), ein Steuerverfahren und ein entsprechendes Steuergerät für den DC/AC-Wechselrichter in einem zumindest teilweise elektrifizierten Fahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung ein computerlesbares (Speicher)medium.The invention relates to the energization or control of an electrical machine or a rotating field machine. In particular, the invention relates to a method for optimizing a pulse pattern for controlling a DC/AC inverter, a control method and a corresponding control device for the DC/AC inverter in an at least partially electrified vehicle. The invention also relates to a computer-readable (storage) medium.
Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. DC/AC-Wechselrichter geschaltet, um die DC-Eingangsspannung in eine AC-Ausgangsspannung zum Bestromen der E-Maschine umzuwandeln.Pure electric vehicles and hybrid vehicles are known in the prior art, which are driven exclusively or with the support of one or more electric machines as drive units. In order to supply the electric machines of such electric vehicles or hybrid vehicles with electrical energy, the electric vehicles and hybrid vehicles comprise electrical energy storage devices, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as direct voltage sources, but the electric machines usually require alternating voltage. Therefore, power electronics with a so-called DC/AC inverter are usually connected between a battery and an electric machine (electric machine) of an electric vehicle or a hybrid vehicle in order to convert the DC input voltage into an AC output voltage to power the electric machine.
Derartige Wechselrichter stellen mittels Halbbrücken vorbestimmte Spannungen an Strängen bzw. Phasen der elektrischen Maschine bzw. Drehfeldmaschine ein. In jeder Halbbrücke liegen zwei halbleiterbasierte Leistungsschalter (Highside-Leistungsschalter und Lowside-Leistungsschalter) in Serie zwischen unterschiedlichen Potentialen einer Zwischenkreisspannung. Dort, wo die beiden Leistungsschalter miteinander verbunden sind, ist die zugehörige Phase kontaktiert. Werden die beiden Leistungsschalter abwechselnd mit einem vorbestimmten Tastverhältnis geöffnet und geschlossen, so stellt sich an der Phase die gewünschte Spannung ein. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Ansteuern von Wechselrichtern bekannt, die mittels eines Steuergerätes ausführbar sind, um die Leistungsschalter entsprechend umzuschalten.Such inverters use half-bridges to set predetermined voltages on the strings or phases of the electrical machine or rotating field machine. In each half-bridge, two semiconductor-based power switches (high-side power switches and low-side power switches) are connected in series between different potentials of an intermediate circuit voltage. Where the two power switches are connected to each other, the corresponding phase is contacted. If the two power switches are opened and closed alternately with a predetermined duty cycle, the desired voltage is set on the phase. Methods for controlling inverters are known from the prior art, which can be carried out using a control device in order to switch the power switches accordingly.
Ein derartiges Steuergerät und zugehöriges Steuerverfahren sind beispielsweise aus
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Steuerverfahren besteht der Nachteil, dass Leistungsverluste, Geräusche und Drehmomentschwankungen der bestromten elektrischen Maschine, welche auf Oberschwingungen (auch Oberwellen genannt) zurückzuführen sind, nicht hinreichend reduziert bzw. minimiert werden können.The disadvantage of the control methods known from the state of the art is that power losses, noise and torque fluctuations of the energized electrical machine, which are due to harmonics (also called harmonic waves), cannot be sufficiently reduced or minimized.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Optimieren eines Pulsmusters zum Ansteuern eines DC/AC-Wechselrichters, ein entsprechendes Steuerverfahren sowie Steuergerät bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.It is an object of the invention to provide a method for optimizing a pulse pattern for controlling a DC/AC inverter, a corresponding control method and control device in order to at least partially eliminate the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Optimieren eines Pulsmusters, das Steuerverfahren, das Steuergerät sowie das computerlesbare (Speicher)medium gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.This object is achieved according to the invention by the method for optimizing a pulse pattern, the control method, the control device and the computer-readable (storage) medium according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and further developments of the invention emerge from the dependent patent claims.
Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Optimieren eines Pulsmusters zum Ansteuern eines DC/AC-Wechselrichters. Der Wechselrichter dient zum Bestromen einer elektrischen Maschine mit mehreren Spulenwicklungen, insbesondere dazu, eine von einer Fahrzeugantriebsbatterie bereitgestellte DC-Eingangsspannung in eine AC-Ausgangsspannung umzuwandeln. Dazu weist der Wechselrichter einen Zwischenkreis (bzw. Kommutierungskreis) mit einem Zwischenkreiskondensator auf, an dem eine Zwischenkreisspannung anliegt. Der Zwischenkreiskondensator kann einen einzigen Kondensator oder eine Anordnung mehrerer Kondensatormodule umfassen. Der Wechselrichter weist zudem eine Phase für jede Spulenwicklung der elektrischen Maschine auf. Der Wechselrichter kann einphasig, d.h. mit einer einzigen Phase, oder vorzugsweise mehrphasig, d.h. mit mehreren Phasen, ausgebildet sein. Jede Phase umfasst mehrere halbleiterbasierte Leistungsschalter, die einer Halbbrücke bilden. In jeder Halbbrücke liegen eine Highside-Einrichtung aus einem oder mehreren parallelgeschalteten Leistungsschaltern (Highside-Leistungsschalter) und eine Lowside-Einrichtung aus einem oder mehreren parallelgeschalteten Leistungschaltern (Lowside-Leistungsschalter) in Serie zwischen unterschiedlichen Potentialen der Zwischenkreisspannung. Dort, wo die Highside-Einrichtung und die Lowside-Einrichtung miteinander verbunden sind, ist die zugehörige Phase kontaktiert. Werden die Highside- und Lowside-Leistungsschalter abwechselnd mit einem vorbestimmten Tastverhältnis geöffnet und geschlossen, so stellt sich an der Phase die gewünschte Spannung (Wechselrichterspannung) ein, die der zugehörigen Spulenwicklung zuzuführen ist. Das vorbestimmte Tastverhältnis ist durch ein Pulsmuster vorgegeben, welches in einer Pulsmuster-Tabelle (etwa in Form einer Look-up-Tabelle, LUT) vorabgespeichert werden kann. Das Steuergerät, welches den Wechselrichter zwecks Schaltens der Leistungsschalter ansteuert, kann dabei auf die Pulsmuster-Tabelle zugreifen, um aus dieser das vorbestimmte Tastverhältnis zu extrahieren und eine sogenannte Pulsbreitenmodulierung (PWM) der Leistungsschalter auszuführen.In a first aspect, the present invention relates to a method for optimizing a pulse pattern for controlling a DC/AC inverter. The inverter is used to supply current to an electrical machine with several coil windings, in particular to convert a DC input voltage provided by a vehicle drive battery into an AC output voltage. For this purpose, the inverter has an intermediate circuit (or commutation circuit) with an intermediate circuit capacitor to which an intermediate circuit voltage is applied. The intermediate circuit capacitor can comprise a single capacitor or an arrangement of several capacitor modules. The inverter also has a phase for each coil winding of the electrical machine. The inverter can be single-phase, i.e. with a single phase, or preferably multi-phase, i.e. with several phases. Each phase comprises several semiconductor-based power switches that form a half bridge. In each half-bridge, a high-side device consisting of one or more parallel-connected power switches (high-side power switches) and a low-side device consisting of one or more parallel-connected power switches (low-side power switches) are connected in series between different potentials of the intermediate circuit voltage. Where the high-side device and the low-side device are connected to each other, the corresponding phase is contacted. If the high-side and low-side power switches are opened and closed alternately with a predetermined duty cycle, the desired voltage (inverter voltage) is set at the phase, which is to be supplied to the corresponding coil winding. The predetermined duty cycle is specified by a pulse pattern, which is specified in a pulse pattern table. (for example in the form of a look-up table, LUT). The control unit, which controls the inverter for switching the power switches, can access the pulse pattern table in order to extract the predetermined duty cycle from it and to carry out a so-called pulse width modulation (PWM) of the power switches.
Erfindungsgemäß wird das Pulsmuster optimiert, mit den Schritten:
- - Einlesen einer Wechselrichterspannung in Abhängigkeit von einem Schaltwinkel des Wechselrichters, wobei die Wechselrichterspannung mittels einer Phase des Wechselrichters und basierend der Zwischenkreisspannung bereitgestellt ist;
- - Einlesen einer basierend auf der Wechselrichterspannung in der elektrischen Maschine induzierten Spannung;
- - Ermitteln mehrerer Oberschwingungen einer Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung, vorzugsweise mittels Fourierentwicklung;
- - Bestimmen mehrerer Werte des Schaltwinkels, bei denen eine Summe der ermittelten Oberschwingungen im Minimum liegt;
- - Generieren eines optimierten Pulsmusters (Engl.: Optimized Pulse Pattern, OPP) basierend auf den bestimmten Werten des Schaltwinkels zum Schalten der Leistungsschalter.
- - Reading in an inverter voltage depending on a switching angle of the inverter, wherein the inverter voltage is provided by means of a phase of the inverter and based on the intermediate circuit voltage;
- - Reading a voltage induced in the electrical machine based on the inverter voltage;
- - Determining several harmonics of a difference between the inverter voltage and the corresponding induced voltage, preferably by means of Fourier expansion;
- - Determining several values of the switching angle at which a sum of the determined harmonics is at a minimum;
- - Generating an optimized pulse pattern (OPP) based on the determined values of the switching angle for switching the circuit breakers.
Die Wechselrichterspannung wird somit aus der Zwischenkreisspannung (entsprechend der DC-Eingangsspannung der Fahrzeugantriebsbatterie) mittels Schaltens der Leistungsschalter der Phase erzeugt. Die Wechselrichterspannung hängt vom Schaltwinkel des Wechselrichters ab bzw. lässt sich mathematisch als Funktion des Schaltwinkels beschreiben. Der Schaltwinkel ist ein Phasenwinkel (bzw. elektrischer Winkel) der elektrischen Maschine, bei dem die Highside-Leistungsschalter und die Lowside-Leistungsschalter der Phase umgeschaltet werden (d.h. die Highside-Leistungsschalter werden geöffnet/geschlossen während die Lowside-Leistungsschalter gleichzeitig geschlossen/geöffnet werden). Jeder Phasenwinkel/elektrische Winkel definiert einen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine. Das Pulsmuster legt fest, bei welchen Phasenwinkeln/elektrischen Winkeln die Leistungsschalter umgeschaltet werden. Somit hängt die Form (bzw. der zeitliche Verlauf) der Wechselrichterspannung von den Werten des Schaltwinkels ab.The inverter voltage is thus generated from the intermediate circuit voltage (corresponding to the DC input voltage of the vehicle drive battery) by switching the phase power switches. The inverter voltage depends on the switching angle of the inverter or can be described mathematically as a function of the switching angle. The switching angle is a phase angle (or electrical angle) of the electrical machine at which the high-side power switches and the low-side power switches of the phase are switched (i.e. the high-side power switches are opened/closed while the low-side power switches are closed/opened at the same time). Each phase angle/electrical angle defines an operating point of the electrical machine. The pulse pattern determines at which phase angles/electrical angles the power switches are switched. The shape (or the temporal progression) of the inverter voltage therefore depends on the values of the switching angle.
Basierend auf der Wechselrichterspannung wird eine mit der Phase elektrisch verbundene Spulenwicklung der elektrischen Maschine bestromt. Dabei erzeugt die zeitlich variierende Wechselrichterspannung einen ebenfalls zeitlich variierenden Strom in der zugehörigen Spulenwicklung, der im Rotor (bzw. In einem Rotorstab) der elektrischen Maschine eine Gegenspannung induziert. Sowohl die Wechselrichterspannung als auch die induzierte Spannung lassen sich jeweils, etwa gemäß Fourierentwicklung, als Summe aus Schwingungsgliedern, nämlich einer Grundschwingung (Schwingung nullter Ordnung) und mehreren Oberschwingungen (Schwingungen höherer Ordnungen), mathematisch ausdrücken.Based on the inverter voltage, a coil winding of the electrical machine that is electrically connected to the phase is energized. The time-varying inverter voltage generates a time-varying current in the associated coil winding, which induces a counter voltage in the rotor (or in a rotor bar) of the electrical machine. Both the inverter voltage and the induced voltage can be expressed mathematically, for example according to Fourier expansion, as the sum of oscillation elements, namely a fundamental oscillation (zero-order oscillation) and several harmonics (higher-order oscillations).
Die Wechselrichterspannung ist in der Regel nicht gleich der induzierten Spannung, sondern liegt betragsmäßig höher als Letztere. Nachdem die Wechselrichterspannung und die zugehörige induzierte Spannung eingelesen wurden, kann die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen ermittelt werden. Die Differenz (bzw. Differenzspannung) lässt sich ebenfalls als Summe aus Grund- und Oberschwingungen mathematisch beschreiben. Somit lassen sich die Oberschwingungen der Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung ermittelt werden.The inverter voltage is usually not equal to the induced voltage, but is higher in magnitude than the latter. After the inverter voltage and the associated induced voltage have been read in, the difference between these two voltages can be determined. The difference (or differential voltage) can also be described mathematically as the sum of fundamental and harmonic oscillations. In this way, the harmonics of the difference between the inverter voltage and the associated induced voltage can be determined.
Die Oberschwingungen können summiert werden. Dadurch, dass die Wechselrichterspannung vom Schaltwinkel abhängt, hängt auch die Summe der Oberschwingungen vom Schaltwinkel ab. Daher können diejenigen Werte des Schaltwinkels, bei denen die Summe der Oberschwingungen der Differenzspannung ein Minimum aufweist, durch Minimieren der Summe bestimmt werden. Basierend auf den auf diese Weise bestimmten Werten des Schaltwinkels lässt sich ein optimiertes Pulsmuster generieren, um die Leistungsschalter gemäß dem generierten Pulsmuster zu schalten.The harmonics can be summed. Since the inverter voltage depends on the switching angle, the sum of the harmonics also depends on the switching angle. Therefore, those values of the switching angle at which the sum of the harmonics of the differential voltage is at a minimum can be determined by minimizing the sum. Based on the values of the switching angle determined in this way, an optimized pulse pattern can be generated in order to switch the circuit breakers according to the generated pulse pattern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren des Pulsmusters kann durch eine vom Steuergerät separate Vorrichtung, etwa eine Prozessiereinheit oder ein Bordcomputer im Fahrzeug, ausgeführt werden. Alternativ kann das Steuergerät selbst die Optimierung des Pulsmusters ausführen. Vorzugsweise wird das Pulsmuster vorm Betrieb des Wechselrichters ,(d.h. „offline“) gemäß den obigen Schritten optimiert und erst im Betrieb des Wechselrichters (d.h. „online“) durch ein im Fahrzeug integriertes Steuergerät zum Ansteuern des Wechselrichters herangezogen werden. Insbesondere kann das „offline“ optimierte Pulsmuster in einer Pulsmustertabelle in Form einer Look-Up-Tabelle (LUT) vorabgespeichert werden, auf die das Steuergerät im Betrieb des Wechselrichters zugreift. Alternativ oder zusätzlich können die wie oben beschrieben „offline“ bestimmten Werte des Schaltwinkels in eine Schaltwinkeltabelle (z.B. LUT) aufgenommen werden. Das Steuergerät kann zum Betreiben des Wechselrichters die Werte des Schaltwinkels ablesen und das hierauf basierend optimierte Pulsmuster generieren. Die LUT für das optimierte Pulsmuster und/oder die Schaltwinkelwerte kann vorzugsweise in einem im Steuergerät integierten Speichermedium oder einem mit dem Steuergerät kommunikationsverbundenen externen Speichermedium abgelegt werden. Das optimierte Pulsmuster dient vorzugsweise dazu, den Wechselrichter mit synchroner Taktung anzusteuern.The method according to the invention for optimizing the pulse pattern can be carried out by a device separate from the control unit, such as a processing unit or an on-board computer in the vehicle. Alternatively, the control unit itself can carry out the optimization of the pulse pattern. The pulse pattern is preferably optimized before the inverter is operated (i.e. "offline") according to the above steps and is only used to control the inverter when the inverter is operated (i.e. "online") by a control unit integrated in the vehicle. In particular, the pulse pattern optimized "offline" can be pre-stored in a pulse pattern table in the form of a look-up table (LUT), which the control unit accesses when the inverter is operating. Alternatively or additionally, the values of the switching angle determined "offline" as described above can be included in a switching angle table (e.g. LUT). The control unit can read the values of the switching angle to operate the inverter and the pulse pattern optimized based on this. generate. The LUT for the optimized pulse pattern and/or the switching angle values can preferably be stored in a storage medium integrated in the control unit or an external storage medium that is connected to the control unit for communication purposes. The optimized pulse pattern is preferably used to control the inverter with synchronous clocking.
Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zum Optimieren des Pulsmusters geschaffen worden, bei dem im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren die Oberschwingungen der in der elektrischen Maschine induzierten Spannung berücksichtigt werden. Auf diese Weise lässt sich gesamtheitlich der Oberschwingungsgehalt der Phasenströme senken bzw. lassen sich bestimmte Oberschwingungen eliminieren. Es handelt sich somit um eine gesteuerte Maßnahme zur Unterdrückung von Stromoberschwingungen, welche unerwünschte Verluste und Geräusche verursachen. Eine solche gesteuerte Kompensation der Stromoberschwingungen ist insbesondere gegenüber einer geregelten Kompensation, die bei hohen Drehzahlen aufgrund der limitierten Bandbreite/Abtastfrequenz der Strommessung erschwert oder gar unmöglich ist, vorteilhaft.According to the invention, a method for optimizing the pulse pattern has been created in which, in contrast to the methods known from the prior art, the harmonics of the voltage induced in the electrical machine are taken into account. In this way, the overall harmonic content of the phase currents can be reduced or certain harmonics can be eliminated. This is therefore a controlled measure for suppressing current harmonics, which cause undesirable losses and noise. Such controlled compensation of the current harmonics is particularly advantageous compared to regulated compensation, which is difficult or even impossible at high speeds due to the limited bandwidth/sampling frequency of the current measurement.
Zum Optimieren des Pulsmusters wird gemäß einer Ausführungsform eine vom Schaltwinkel abhängigen Zielfunktion Je(α) verwendet, die die folgende Form (Glg. 1) annimmt:
Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht ein Betrag einer Grundschwingung eines Scheitelwertes der Wechselrichterspannung (û(1)(α)) bei den bestimmten Werten des Schaltwinkels einem vordefinierten Modulationsgrad (m) des Wechselrichters. Der Modulationsgrad gibt das Verhältnis zwischen dem Scheitelwert der Grundschwingung der Wechselrichterspannung und der Zwischenkreisspannung an und hängt vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine ab. Vorzugsweise ist der Betrag der Grundschwingung dem Modulationsgrad gleich (Glg. 3):
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist für die bestimmten Werte des Schaltwinkels folgende Bedingung (Glg. 4) erfüllt:
Vorzugsweise sind für die bestimmten Werte des Schaltwinkels die obigen drei Bedingungen (Glg. 2 bis 4) gleichzeitig erfüllt. Mit Hilfe der unter diesen Bedingungen bestimmten Werte des Schaltwinkels kann daher eine verbesserte Optimierung des Pulsmusters erzielt werden, bei denen sich das Spektrum der Stromoberschwingungen in Gänze bzw. die Oberschwingungsgesamtverzerrung (THD) der Phasenströme reduzieren bzw. minimieren lässt.Preferably, the above three conditions (equations 2 to 4) are met simultaneously for the specific values of the switching angle. Using the values of the switching angle determined under these conditions, an improved optimization of the pulse pattern can be achieved, in which the spectrum of the current harmonics as a whole or the total harmonic distortion (THD) of the phase currents can be reduced or minimized.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform unterschreitet eine Stromstärke eines durch die Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung erzeugten Differenzstroms bei den bestimmten Werten des Schaltwinkels einen vordefinierten Schwellenwert oder ist diesem gleich. Vorzugsweise ist für die bestimmten Werte des Schaltwinkels zusätzlich folgende Bedingung (Glg. 5) erfüllt:
Vorzugsweise sind für die bestimmten Werte des Schaltwinkels die obigen vier Bedingungen (Glg. 2 bis 5) gleichzeitig erfüllt. Folglich entsteht bei der Optimierung ein modifiziertes Pulsmuster, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass dessen Verluste, Geräuschemission und/oder Drehmomentschwankungen gegenüber dem Stand der Technik geringer sind. Das Optimierungsergebnis bzw. die diesem zugrundeliegenden Bedingungen sind von den jeweiligen Eigenschaften der elektrischen Maschine (bzw. Elektromotor) bzw. deren Oberschwingungsgehalt abhängig und unterscheiden sich somit von Motortyp zu Motortyp. Erfindungsgemäß lässt sich daher für jeden Motortyp ein individuell optimiertes Pulsmuster generieren.Preferably, the above four conditions (equations 2 to 5) are met simultaneously for the specific values of the switching angle. Consequently, the optimization produces a modified pulse pattern which is characterized by the fact that its losses, noise emissions and/or torque fluctuations are lower than those of the prior art. The optimization result or the conditions underlying it depend on the respective properties of the electrical machine (or electric motor) or its harmonic content and thus differ from motor type to motor type. According to the invention, an individually optimized pulse pattern can therefore be generated for each motor type.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zum Bestimmen der Werte des Schaltwinkels zusätzlich ein Grad der Anisotropie der zu bestromenden elektrischen Maschine berücksichtigt. Die Anisotropie gibt an, wie stark sich die d- und q-Komponenten der Induktivitäten einer elektrischen Maschine voneinander unterscheiden. Zur Berücksichtigung der Anisotropie erfolgt vorzugsweise eine Zerlegung sowohl der Wechselrichterspannung als auch der induzierten Spannung der elektrischen Maschine in deren entsprechenden d- und q-Komponente gemäß der dq-Darstellung (etwa mittels Clarke-/Park-Transformation). Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe der Induktivitäten der elektrischen Maschine in d- und q-Richtung (bzw. mit Hilfe der d- und q-Komponenten der Induktivitäten) auch die Stromoberschwingungen (d.h. die Oberschwingungen des Stroms, der durch die Differenzspannung zwischen der Wechselrichterspannung und der induzierten Spannung der elektrischen Maschine bzw. der zugehörigen Spulenwicklung) ermitteln. Die ermittelten Stromoberschwingungen werden zwecks Optimierung des Pulsmusters minimiert. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wicklungswiderstand der zu bestromenden elektrischen Maschine bei der Umrechnung von den Oberschwingungen der Wechselrichterspannung und der induzierten Spannung in die Stromoberschwingungen berücksichtigt.According to a further embodiment, a degree of anisotropy of the electrical machine to be energized is also taken into account to determine the values of the switching angle. The anisotropy indicates how much the d and q components of the inductances of an electrical machine differ from one another. To take the anisotropy into account, both the inverter voltage and the induced voltage of the electrical machine are preferably broken down into their corresponding d and q components according to the dq representation (for example using Clarke/Park transformation). In this way, with the help of the inductances of the electrical machine in the d and q directions (or with the help of the d and q components of the inductances), the current harmonics (i.e. the harmonics of the current caused by the difference voltage between the inverter voltage and the induced voltage of the electrical machine or the associated coil winding) can also be determined. The determined current harmonics are minimized in order to optimize the pulse pattern. Alternatively or additionally, a winding resistance of the electrical machine to be powered can be taken into account when converting the harmonics of the inverter voltage and the induced voltage into the current harmonics.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuerverfahren und ein entsprechendes Steuergerät für einen Wechselrichter. Das Steuerverfahren umfasst Schalten mehrerer Leistungsschalter des Wechselrichters gemäß dem nach dem Verfahren gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung optimierten Pulsmuster. Das Steuergerät umfasst eine Prozessiereinheit, die dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Steuerverfahren auszuführen. Die Erfindung betrifft ferner ein computerlesbares (Speicher)medium umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens zum Optimieren des Pulsmusters und/oder des Steuerverfahrens gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auszuführen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Optimieren des Pulsmusters beschriebenen Vorteile auch für das erfindungsgemäße Steuerverfahren, das erfindungsgemäße Steuergerät sowie das erfindungsgemäße (Speicher)medium.The invention further relates to a control method and a corresponding control device for an inverter. The control method comprises switching several power switches of the inverter according to the pulse pattern optimized according to the method according to one of the embodiments of the present invention. The control device comprises a processing unit which is designed to carry out the control method according to the invention. The invention further relates to a computer-readable (storage) medium comprising commands which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of the method for optimizing the pulse pattern and/or the control method according to one of the embodiments of the present invention. This results in the advantages already described in connection with the method according to the invention for optimizing the pulse pattern also for the control method according to the invention, the control device according to the invention and the (storage) medium according to the invention.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention is explained below by way of example using embodiments shown in the figures.
Es zeigen:
-
1 eines schematisches Schaltbild eines mehrphasigen (insbesonere dreiphasigen) Wechselrichters zum Bestromen einer elektrischen Maschine; -
2 eine schematische Darstellung eines Steuerverfahrens zum Ansteuern des Wechselrichters mittels eines Steuergerätes; -
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Optimieren eines Pulsmusters, welches durch das Steuergerät zum Ansteuern des Wechselrichters verwendet wird.
-
1 a schematic circuit diagram of a multi-phase (especially three-phase) inverter for supplying current to an electrical machine; -
2 a schematic representation of a control method for controlling the inverter by means of a control device; -
3 a schematic representation of a method for optimizing a pulse pattern used by the control unit to control the inverter.
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.Identical objects, functional units and comparable components are designated with the same reference symbols across all figures. These objects, functional units and comparable components are identical in terms of their technical features, unless the description explicitly or implicitly indicates otherwise.
Die Leistungsschalter S1-S6 umfassen jeweils einen Transistor, etwa MOSFET, HEMT, IGBT, basierend auf einem Halbleitermaterial. Das Halbleitermaterial kann Silizium, oder ein sogenannter Halbleiter mit großer Bandlücke (Engl.: Wide-Bandgap-Semiconductor, WBS) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Die Phasen bzw. die Halbbrücken 104, 106, 108 können modular ausgebildet sein, etwa derart, dass jede Halbbrücke 104, 106, 108 mehrere Halbbrückenmodule umfasst, die jeweils eine Modulhighside und eine Modullowside aufweisen. Die Modulhighsides sind parallelgeschaltet und bilden die Highside-Einrichtung der Phase, wobei die Modullowsides parallelgeschaltet sind und die Lowside-Einrichtung der Phase bilden. Auch der Zwischenkreiskondensator 102 kann einen einzigen Kondensator oder mehrere Kondensatormodule aufweisen. Die Anzahl der im Wechselrichter verwendeten Halbbrücken- und/oder Kondensatormodule kann je nach Leistungsklasse der zu bestromenden elektrischen Maschine bzw. des Fahrzeugs entsprechend gewählt werden.The power switches S1-S6 each comprise a transistor, such as MOSFET, HEMT, IGBT, based on a semiconductor material. The semiconductor material can be silicon, or a so-called wide bandgap semiconductor (WBS) such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). The phases or the half-
Mittels des Wechselrichters 100 kann aus der DC-Eingangsspannung (Gleichspannung) die AC-Ausgangsspannung (Wechselspannung) erzeugt werden. Dies erfolgt durch gezieltes Schalten der Leistungsschalter S1-S6. Dazu, bzw. zum Ansteuern des Wechselrichters 100 wird ein Steuergerät 10 verwendet. Das Steuergerät 10 ist rein schematisch und beispielhaft in
Das Pulsmuster lässt sich mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens optimiert werden, welches vorzugsweise offline ausführbar ist.
- - Einlesen einer Wechselrichterspannung in Abhängigkeit von einem Schaltwinkel des
Wechselrichters 100, wobei die Wechselrichterspannung mittels einer Phase 104,106,108 desWechselrichters 100 und basierend der Zwischenkreisspannung bereitgestellt ist; - - Einlesen einer basierend auf der Wechselrichterspannung in der elektrischen Maschine 14 induzierten Spannung;
- - Ermitteln mehrerer Oberschwingungen einer Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung, vorzugsweise mittels Fourierentwicklung;
- - Bestimmen mehrerer Werte des Schaltwinkels, bei denen eine Summe der ermittelten Oberschwingungen im Minimum liegt;
- - Generieren eines optimierten Pulsmusters (Engl.: Optimized Pulse Pattern, OPP) basierend auf den bestimmten Werten des Schaltwinkels zum Schalten der Leistungsschalter S1-S6.
- - Reading in an inverter voltage as a function of a switching angle of the
inverter 100, wherein the inverter voltage is provided by means of a phase 104,106,108 of theinverter 100 and based on the intermediate circuit voltage; - - Reading in a voltage induced in the
electric machine 14 based on the inverter voltage; - - Determining several harmonics of a difference between the inverter voltage and the corresponding induced voltage, preferably by means of Fourier expansion;
- - Determining several values of the switching angle at which a sum of the determined harmonics is at a minimum;
- - Generating an optimized pulse pattern (OPP) based on the determined values of the switching angle for switching the circuit breakers S1-S6.
Die Wechselrichterspannung hängt vom Schaltwinkel des Wechselrichters ab bzw. lässt sich mathematisch als Funktion des Schaltwinkels beschreiben. Der Schaltwinkel ist ein Phasenwinkel (bzw. elektrischer Winkel) der elektrischen Maschine 14, bei dem die Highside-Leistungsschalter S1, S3, S5 und die Lowside-Leistungsschalter S2,S4,S6 der Phase 104,106,108 umgeschaltet werden (d.h. die Highside-Leistungsschalter S1,S3,S5 werden geöffnet/geschlossen während die Lowside-Leistungsschalter S2,S4,S6 gleichzeitig geschlossen/geöffnet werden). Jeder Phasenwinkel/elektrische Winkel definiert einen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine 14. Das Pulsmuster legt fest, bei welchen Phasenwinkeln/elektrischen Winkeln die Leistungsschalter S1-S6 umgeschaltet werden. Somit hängt die Form (bzw. der zeitliche Verlauf) der Wechselrichterspannung von den Werten des Schaltwinkels ab.The inverter voltage depends on the switching angle of the inverter or can be described mathematically as a function of the switching angle. The switching angle is a phase angle (or electrical angle) of the
Basierend auf der Wechselrichterspannung wird eine mit der Phase 104,106,108 elektrisch verbundene Spulenwicklung der elektrischen Maschine 14 bestromt. Dabei erzeugt die zeitlich variierende Wechselrichterspannung einen ebenfalls zeitlich variierenden Strom in der zugehörigen Spulenwicklung, der im Rotor (bzw. In einem Rotorstab) der elektrischen Maschine 14 eine Gegenspannung induziert. Sowohl die Wechselrichterspannung als auch die induzierte Spannung lassen sich jeweils, etwa gemäß Fourierentwicklung, als Summe aus Schwingungsgliedern, nämlich einer Grundschwingung (Schwingung nullter Ordnung) und mehreren Oberschwingungen (Schwingungen höherer Ordnungen), mathematisch beschreiben.Based on the inverter voltage, a coil winding of the
Die Wechselrichterspannung ist in der Regel nicht gleich der induzierten Spannung, sondern liegt betragsmäßig höher als Letztere. Nachdem die Wechselrichterspannung und die zugehörige induzierte Spannung eingelesen wurden, kann die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen ermittelt werden. Die Differenz (bzw. Differenzspannung) lässt sich ebenfalls als Summe aus Grund- und Oberschwingungen mathematisch beschreiben. Somit lassen sich die Oberschwingungen der Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung ermittelt werden.The inverter voltage is usually not equal to the induced voltage, but is higher in magnitude than the latter. After the inverter voltage and the associated induced voltage have been read in, the difference between these two voltages can be determined. The difference (or differential voltage) can also be described mathematically as the sum of fundamental and harmonic oscillations. In this way, the harmonics of the difference between the inverter voltage and the associated induced voltage can be determined.
Die Oberschwingungen können summiert werden. Dadurch, dass die Wechselrichterspannung vom Schaltwinkel abhängt, hängt auch die Summe der Oberschwingungen vom Schaltwinkel ab. Daher können diejenigen Werte des Schaltwinkels, bei denen die Summe der Oberschwingungen der Differenzspannung ein Minimum aufweist, durch Minimieren der Summe bestimmt werden. Basierend auf den auf diese Weise bestimmten Werten des Schaltwinkels lässt sich ein optimiertes Pulsmuster generieren.The harmonics can be summed. Since the inverter voltage depends on the switching angle, the sum of the harmonics also depends on the switching angle. Therefore, those values of the switching angle at which the sum of the harmonics of the differential voltage is at a minimum can be determined by minimizing the sum. Based on the values of the switching angle determined in this way, an optimized pulse pattern can be generated.
Wie oben bereits erwähnt, kann das so optimierte Pulsmuster als LUT abgelegt und im Speichermedium 16,17 vorabgespeichert werden. In diesem Fall liest das Steuergerät 10 das offline generierte Pulsmuster ab und steuert den Wechselrichter 100 gemäß dem optimierten Pulsmuster. Alternativ können die einzelnen Werte des Schaltwinkels, die durch Minimieren der Summe der Differenzspannung bestimmt werden, ebenfalls als LUT abgelegt und im Speichermedium 16,17 vorabgespeichert werden. Im letzteren Fall liest das Steuergerät 10 die offline bestimmten Werte des Schaltwinkels vom Speichermedium 16,17 ab und erzeugt ein optimiertes Pulsmuster auf Basis der Schaltwinkelwerte, was offline oder online erfolgen kann.As already mentioned above, the pulse pattern optimized in this way can be stored as a LUT and pre-stored in the
Zum Optimieren des Pulsmusters wird vorzugsweise eine vom Schaltwinkel abhängigen Zielfunktion Je(α) verwendet, die die folgende Form (Glg. 1) annimmt:
Die Grundschwingung eines Scheitelwertes der Wechselrichterspannung (û(1)(α)) bei den bestimmten Werten des Schaltwinkels entspricht einem vordefinierten Modulationsgrad (m) des Wechselrichters 100 bzw. ist diesem gleich (Glg. 3):
Außerdem ist für die bestimmten Werte des Schaltwinkels folgende Bedingung (Glg. 4) erfüllt:
Mit Hilfe der unter diesen Bedingungen (Glg. 2 bis 4, was einer Bedingungsgruppe I entspricht) bestimmten Werte des Schaltwinkels kann daher eine verbesserte Optimierung des Pulsmusters erzielt werden, bei denen sich das Spektrum der Stromoberschwingungen in Gänze bzw. die Oberschwingungsgesamtverzerrung (THD) der Phasenströme reduzieren bzw. minimieren lässt.With the help of the switching angle values determined under these conditions (equations 2 to 4, which corresponds to a condition group I), an improved optimization of the pulse pattern can be achieved, in which the spectrum of the current harmonics in its entirety or the harmonics total harmonic distortion (THD) of the phase currents can be reduced or minimized.
Zusätzlich kann beim Optimieren des Pulsmusters berücksichtigt werden, dass eine Stromstärke eines durch die Differenzspannung zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung erzeugten Differenzstroms bei den bestimmten Werten des Schaltwinkels einen vordefinierten Schwellenwert unterschreitet oder diesem gleich ist. Vorzugsweise ist für die bestimmten Werte des Schaltwinkels zusätzlich folgende Bedingung (Glg. 5) erfüllt:
Im Fall, dass die Bedingungen (Glg. 2 bis 5, was einer Bedingungsgruppe II entspricht) gleichzeitig erfüllt werden, entsteht bei der Optimierung ein modifiziertes Pulsmuster, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass dessen Verluste, Geräuschemission und/oder Drehmomentschwankungen gegenüber dem Stand der Technik geringer sind. Das Optimierungsergebnis bzw. die diesem zugrundeliegenden Bedingungen sind von den jeweiligen Eigenschaften der elektrischen Maschine 14 (bzw. Elektromotor) bzw. deren Oberschwingungsgehalt abhängig und unterscheiden sich somit von Motortyp zu Motortyp. Erfindungsgemäß lässt sich daher für jeden Motortyp ein individuell optimiertes Pulsmuster generieren.If the conditions (equations 2 to 5, which corresponds to a condition group II) are met at the same time, the optimization produces a modified pulse pattern which is characterized by the fact that its losses, noise emissions and/or torque fluctuations are lower than those of the prior art. The optimization result or the conditions underlying it depend on the respective properties of the electrical machine 14 (or electric motor) or its harmonic content and thus differ from motor type to motor type. According to the invention, an individually optimized pulse pattern can therefore be generated for each motor type.
Zum Bestimmen der Werte des Schaltwinkels kann zusätzlich ein Grad der Anisotropie der zu bestromenden elektrischen Maschine 14 berücksichtigt werden. Die Anisotropie gibt an, wie stark sich die d- und q-Komponenten der Induktivitäten L der elektrischen Maschine 14 voneinander unterscheiden. Zur Berücksichtigung der Anisotropie erfolgt vorzugsweise eine Zerlegung sowohl der Wechselrichterspannung als auch der induzierten Spannung der elektrischen Maschine 14 in deren entsprechenden d- und q-Komponente gemäß der dq-Darstellung (etwa mittels Clarke-/Park-Transformation). Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe der Induktivitäten L der elektrischen Maschine 14 in d- und q-Richtung (bzw. mit Hilfe der d- und q-Komponenten der Induktivitäten L) auch die Stromoberschwingungen (d.h. die Oberschwingungen des Stroms, der durch die Differenzspannung zwischen der Wechselrichterspannung und der induzierten Spannung der elektrischen Maschine 14 bzw. der zugehörigen Spulenwicklung) ermitteln. Die ermittelten Stromoberschwingungen werden zwecks Optimierung des Pulsmusters minimiert. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wicklungswiderstand der zu bestromenden elektrischen Maschine 14 bei der Umrechnung von den Oberschwingungen der Wechselrichterspannung und der induzierten Spannung in die Stromoberschwingungen berücksichtigt.To determine the values of the switching angle, a degree of anisotropy of the
BezugszeichenReference symbol
- 1010
- SteuergerätControl unit
- 1212
- SpannungseingangVoltage input
- 1414
- elektrische Maschineelectric machine
- 1616
- integriertes Speichermediumintegrated storage medium
- 1717
- externes Speichermediumexternal storage medium
- 1818
- ProzessiereinheitProcessing unit
- 100100
- WechselrichterInverter
- 102102
- ZwischenkreiskondensatorDC link capacitor
- 104,106,108104,106,108
- Phasen/HalbbrückenPhases/Half Bridges
- 105,107,109105,107,109
- KnotenpunkteNodes
- S1-S6S1-S6
- LeistungsschalterCircuit breaker
- U, V, WU, V, W
- SpannungsausgängeVoltage outputs
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102016208801 A1 [0004]DE 102016208801 A1 [0004]
Claims (10)
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- 2023-03-07 DE DE102023202008.4A patent/DE102023202008A1/en active Pending
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