DE102013217619A1

DE102013217619A1 - System und Verfahren zum Implementieren eines Abhilfe schaffenden elektrischen Kurzschlusses

Info

Publication number: DE102013217619A1
Application number: DE102013217619.8A
Authority: DE
Inventors: Steven E. Schulz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2014-03-13
Also published as: CN103684204A; US20140070742A1; CN103684204B; US8810177B2

Abstract

Ein Fahrzeug enthält eine elektrische mehrphasige Permanentmagnet-Synchronmaschine, DC- und AC-Busse, ein Batteriemodul, ein Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (TPIM) und einen Controller. Der Controller, der mit dem TPIM in Verbindung steht, führt ein Verfahren aus, um eine Fehlerbedingung zu detektieren, stellt die Pulsbreitenmodulations-Tastverhältnisse (PWM-Tastverhältnisse) aller Phasen der elektrischen Maschine fest auf 50% ein, so dass alle Phasen gleichzeitig schalten, und legt einen mehrphasigen OFFEN-Zustand an den AC-Bus in Ansprechen auf die detektierte Fehlerbedingung an. Dann geht der Controller in einen mehrphasigen KURZSCHLUSS-Zustand über, indem er automatisch bei jedem PWM-Schaltübergang des TPIM über eine berechnete Rampenzeitdauer hinweg eine verstellbare Totzeit einfügt, wodurch über die berechnete Rampenzeitdauer hinweg von einer anfänglichen Totzeit zu einer minimalen Totzeit übergegangen wird. Der Übergang reduziert ein Spitzenüberschwingen des negativen d-Achsenstroms der Maschine während der Fehlerbedingung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und ein System zum Implementieren eines Abhilfe schaffenden elektrischen Kurzschlusses.
HINTERGRUND
Synchronmaschinen mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM-Maschinen) werden in Hybridelektro- und Batterieelektrofahrzeugen häufig als Antriebselektromotoren verwendet. IPM-Synchronmaschinen werden mit Hilfe einer DC-Leistungsquelle, die typischerweise ein wiederaufladbares Batteriemodul ist, in Verbindung mit einem stromgesteuerten Spannungszwischenkreisumrichter erregt. Die in den Rotoren derartiger Maschinen verwendeten Permanentmagnete können jedoch die Antwort verkomplizieren, die ein Motorcontroller auf einen detektierten Motor- oder Antriebssystemfehler gibt.
Bei höheren Motordrehzahlen können die rotierenden Magnete beispielsweise in den Statorwicklungen des Motors eine Spannung durch eine elektromagnetische Gegenkraft (EMK-Spannung) erzeugen. Wenn in Ansprechen auf einen detektierten Fehler das Schalten im Spannungsumrichter temporär deaktiviert ist, kann die Gegen-EMK-Spannung bewirken, dass Dioden im Umrichter leiten, wodurch ermöglicht wird, dass elektrischer Strom zurück zum Batteriemodul fließt. Diese Stromflussbedingung wird allgemein als Zustand mit einem ”ungesteuerten Generator” (UG-Zustand) bezeichnet. Charakteristische Eigenschaften des UG-Zustands können das Vorhandensein eines relativ großen Betrags an regenerativem Bremsmoment, das auf die Maschine einwirkt, sowie die Leitung eines erheblichen elektrischen Stroms zurück an das Batteriemodul umfassen.
Um diese Folge zu bekämpfen können Controller für Synchronmaschinen vom IPM-Typ bei einer beispielhaften dreiphasigen Maschine einen dreiphasigen Kurzschluss als Abhilfe schaffende Maßnahme für die Fehlerbedingung ausführen. Halbleiterschalter des Spannungsumrichters werden gleichzeitig eingeschaltet, um den dreiphasigen Kurzschluss zu bewirken, was wiederum verhindert, dass elektrischer Strom zu dem oder aus dem Batteriemodul fließt. Bei höheren Motordrehzahlen ist das Bremsmoment relativ niedrig, was für Fahrantriebsanwendungen günstig ist. Die Maschinenimpedanz wird die Motorströme während eines Betriebs mit einem dreiphasigen Kurzschluss begrenzen. Zudem nähert sich der Statorstrom bei den meisten Motordrehzahlen dem charakteristischen Strom der Maschine. Obwohl ein dreiphasiger Kurzschluss eine brauchbare Antwort auf Fehler bleibt, sind jedoch herkömmliche Herangehensweisen zum Implementieren des dreiphasigen Kurzschlusses weiterhin suboptimal.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird hier ein System offenbart, das eine mehrphasige elektrische Permanentmagnet-Synchronmaschine, einen DC-Bus, einen AC-Bus, eine DC-Spannungsversorgung wie etwa einen Batteriestapel oder eine Brennstoffzelle, ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM) und einen Controller enthält. Das PIM ist mit der DC-Spannungsversorgung über den DC-Bus und mit der elektrischen Maschine über den AC-Bus elektrisch verbunden. Das PIM enthält einen Satz von Halbleiterschaltern, die mit Hilfe des Controllers aktiviert werden, um eine AC-Spannung in eine DC-Spannung und umgekehrt umzusetzen. Der Controller steht in Verbindung mit dem PIM und ist ausgestaltet, um eine Fehlerbedingung im System zu detektieren. Auf das Detektieren hin stellt der Controller die Pulsbreitenmodulations-Tastverhältnisse (PWM-Tastverhältnisse) aller Phasen der elektrischen Maschine fest auf 50% ein, so dass alle Phasen gleichzeitig schalten.
In Ansprechen auf die detektierte Fehlerbedingung legt der Controller an den AC-Bus einen mehrphasigen OFFEN-Zustand an und wechselt in einen mehrphasigen KURZSCHLUSS-Zustand, indem er bei jedem PWM-Schaltübergang des PIM eine verstellbare Totzeit über eine berechnete Rampenzeitdauer hinweg einfügt. Auf diese Weise wechselt der Controller über die berechnete Rampenzeitdauer hinweg von einer berechneten anfänglichen Totzeit zu einer minimalen Totzeit. Der Übergang verringert ein Spitzenüberschwingen des negativen d-Achsenstroms der Maschine während der Fehlerbedingung.
Es wird hier auch ein Verfahren zum Implementieren des vorstehend erwähnten mehrphasigen Kurzschlusses in einem Fahrzeug offenbart, das ein Motorantriebssystem aufweist, welches einen Elektroantriebsmotor vom IPM-Typ und ein Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (TPIM) verwendet.
Zudem wird ein Fahrzeug offenbart, das einen Controller, eine dreiphasige elektrische Permanentmagnet-Synchronmaschine in der Form eines Elektroantriebsmotors mit einem negativen d-Achsenstrom und einem Planetenradsatz enthält, der mit einem Ausgabeelement der elektrischen Maschine gekoppelt ist und Motordrehmoment vom Antriebsmotor empfängt. Das Fahrzeug enthält außerdem DC- und AC-Busse, eine DC-Leistungsversorgung und ein TPIM, das über den DC-Bus mit der DC-Leistungsversorgung und über den AC-Bus mit dem Antriebsmotor elektrisch verbunden ist. Das TPIM enthält einen Satz von Halbleiterschaltern, die gesteuert werden, um eine AC-Spannung in eine DC-Spannung und umgekehrt umzusetzen. Der Controller ist ausgestaltet, um das vorstehend erwähnte Verfahren auszuführen.
Wie hier offenbart wird, verwenden alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Herangehensweise, die hier als intelligenter Totzeitübergang oder IDT bezeichnet wird, um einen rampenförmigen Übergang in einen mehrphasigen Kurzschlusszustand bereitzustellen und um damit jegliches Überschwingen des d-Achsenstroms des vorstehend erwähnten Typs zu minimieren. Der gesteuerte Übergang wird zwischen den mehrphasigen OFFEN- und den mehrphasigen KURZSCHLUSS-Zuständen ermöglicht. Während dieses Übergangs wird eine Pulsbreitenmodulation (PWM) mit Hilfe des PIM auf eine derartige Weise eingesetzt, dass alle Phasenschenkel des PIM mit einem Tastverhältnis von 50% betrieben werden. Die Totzeit des PIM wird mit Hilfe des Controllers dynamisch verstellt, um einen effektiven Übergang vom OFFEN-Zustand in den KURZSCHLUSS-Zustand bereitzustellen. Sobald der Übergang abgeschlossen ist, wird ein fester mehrphasiger Kurzschluss angelegt. Bei der einfachsten Implementierung des vorliegenden Steuerungsverfahrens werden Rückkopplungssensoren nicht benötigt, obwohl derartige Sensoren in anderen Ausführungsformen verwendet werden können, um die Leistung zu verbessern.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fahrzeugs, das eine mehrphasige elektrische Maschine, ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul und einen Controller aufweist, der einen mehrphasigen Kurzschlusszustand an Bord des Fahrzeugs wie hier offengelegt implementiert.
2A ist eine Amplituden-Zeit-Aufzeichnung, die zeigt, wie sich eine maximale Totzeit einer Bedingung mit einem vollständig offenen Zustand annähert.
2B ist eine Amplituden-Zeit-Aufzeichnung von beispielhaften Wellenformen, die eine Totzeit beschreiben, die ausreicht, um etwa 50% einer sechsstufigen Spannung zu erzeugen.
2C ist eine Amplituden-Zeit-Aufzeichnung von beispielhaften Wellenformen, die eine minimale Totzeit aufweisen und eine Bedingung mit einem KURZSCHLUSS-Zustand simulieren.
3 ist eine Amplituden-Zeit-Aufzeichnung, die ein Überschwingen des d-Achsenstroms über einer Anstiegszeit mit Hilfe von beispielhaften Spannungs/Drehzahl-Paaren beschreibt.
4A und 4B sind Zeitdiagramme, welche die Aktivierung einer Totzeitsteuerung im Fahrzeug von 1 darstellen.
5A und 5B sind Zeitdiagramme, welche die Aktivierung einer Totzeitsteuerung im Fahrzeug von 1 darstellen, wenn ein Drehzahlsensor fehlerhaft oder nicht verfügbar ist.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Implementieren eines dreiphasigen Kurzschlusses in dem Fahrzeug 10 von 1 beschreibt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen ist in 1 ein beispielhaftes Fahrzeug 10 schematisch gezeigt. Das Fahrzeug 10 enthält erste und zweite Motor/Generator-Einheiten 16 und 26. Beide MGUs 16 und 26 sind mehrphasige elektrische Maschinen mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM-Maschinen) in der Form von Elektroantriebsmotoren. In Abhängigkeit von der Ausführungsform können die MGUs 16, 26 auf etwa 60–300 VAC oder mehr ausgelegt sein. Die MGUs 16 und 26 werden mit Hilfe eines Motorcontrollers 40 gesteuert, der beispielsweise ein Hybridsteuerungsmodul oder ein Motorsteuerungsmodul ist, welcher selektiv einen Code ausführt, der ein Verfahren 100 verkörpert, wobei ein Beispiel für dieses in 5 gezeigt ist und nachstehend im Detail beschrieben wird.
Eine Ausführung des Verfahrens 100 bewirkt, dass der Controller 40 in Ansprechen auf einen detektierten elektrischen Fehler, Überdrehzahlfehler und/oder anderen Fehler im Antriebssystem selektiv einen dreiphasigen Kurzschluss an einen AC-Bus 15 des Fahrzeugs 10 anlegt. Obwohl hier im Anschluss zur Konsistenz der Darstellung ein dreiphasiger Kurzschluss beschrieben wird, kann die vorliegende Herangehensweise auf jede mehrphasige elektrische Maschine, z. B. eine fünfphasige Maschine, angewendet werden. Es gibt viele mögliche Typen von Fehlerbedingungen, die in dem Antriebssystem des Fahrzeugs 10 detektiert werden können, etwa Sensorfehler bei der Rotorposition, dem Strom und/oder der Spannung oder einen Verhaltensfehler wie etwa einen Überstrom oder eine Überdrehzahl, welche alle vom Controller 40 überwacht werden können.
Bei der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform, die nicht einschränken soll, enthält das Fahrzeug 10 außerdem eine Brennkraftmaschine 12 und ein Getriebe 22 mit mindestens einem Zahnradsatz 30. Über den DC-Bus 17 und ein Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (TPIM) 18 ist ein DC-Batteriemodul 20 oder eine andere geeignete DC-Spannungsversorgung, etwa eine Brennstoffzelle, mit der ersten und zweiten MGU 16, 26 elektrisch verbunden. Eine optionale Dämpfungs/Eingabekupplung 14 kann verwendet werden, um die Kraftmaschine 12 selektiv vom Endantrieb zu trennen, beispielsweise bei einem Neustart der Kraftmaschine 12 nach einem Autostopp-Ereignis.
Eine Ausgabewelle 13 der Kraftmaschine 12 ist mit der ersten MGU 16 verbunden, so dass die erste MGU 16, wenn die Kraftmaschine 12 läuft, mit Hilfe von Kraftmaschinendrehmoment erregt wird und verwendet werden kann, um Motordrehmoment zu erzeugen, was wiederum verwendet werden kann, um in Abhängigkeit vom Betriebsmodus des Getriebes entweder das Fahrzeug 10 anzutreiben oder das Batteriemodul 20 wieder aufzuladen. Die zweite MGU 26 kann verwendet werden, um unabhängig vom Zustand der Kraftmaschine 12 das Fahrzeug 10 mit Leistung zu versorgen oder um das Batteriemodul 20 aufzuladen. Es können andere Ausführungsformen des Fahrzeugs 10 mit nur einer MGU 16 oder 26, mit oder ohne die Kraftmaschine 12 in Betracht gezogen werden, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen. Zur Konsistenz der Darstellung wird hier nachstehend jedoch nur die Konfiguration mit zwei Motoren von 1 beschrieben.
Der in der beispielhaften Ausführungsform von 1 gezeigte Planetenradsatz 30 kann erste, zweite und dritte Knoten 32, 34 und 36 enthalten. Wie in der Technik verstanden wird, können diese Knoten einem Hohlrad, einem Sonnenrad und Planetenrädern entsprechen, in Abhängigkeit von der Ausführungsform entweder in dieser oder in einer anderen Reihenfolge. Eine Rotationskupplung 24 kann in einigen Modi selektiv eingerückt werden, um die erste MGU 16 mit dem ersten Knoten 32 zu verbinden. Die zweite MGU 26 kann mit dem dritten Knoten 36 über ein Verbindungselement 27 direkt verbunden sein, wobei mit ”direkt” gemeint ist, dass zwischen der zweiten MGU 26 und dem dritten Knoten 36 keine dazwischenliegenden Komponenten positioniert sind. Bei dieser speziellen Ausführungsform kann ein Ausgabeelement 33 des Getriebes 22 ein Getriebeausgabedrehmoment (Pfeil T_o) an einen Satz von (nicht gezeigten) Antriebsrädern liefern, um das Fahrzeug 10 anzutreiben.
Ein AC-Bus 15 verbindet die erste und zweite MGU 16 und 26 jeweils mit dem TPIM 18. Das TPIM 18 enthält, wie in der Technik gut bekannt ist, einen Satz von Halbleiterschaltern 23, beispielsweise IGBTs oder MOSFETs, die mit Hilfe einer Pulsbreitenmodulation (PWM) schnell geschaltet werden, um eine DC-Spannung in eine AC-Spannung zur Verwendung durch die jeweiligen ersten und/oder zweiten MGUs 16, 26 umzusetzen, und um die AC-Spannung von den MGUs 16, 26 zurück in eine DC-Spannung mit einem Pegel umzusetzen, der zum Speichern im Batteriemodul 20 geeignet ist. Andere Hochspannungs-Leistungskomponenten wie etwa ein (nicht gezeigter) DC/DC-Umsetzer können verwendet werden, um die umgerichtete Spannung auf Zubehörpegel hinunter zu transformieren, wie in der Technik gut bekannt ist.
Der in 1 gezeigte Controller 40 steht in Verbindung mit den verschiedenen Komponenten des Fahrzeugs 10, speziell mit dem TPIM 18, mit der ersten und zweiten MGU 16, 26 und mit dem Batteriemodul 20, beispielsweise über einen Controllerbereichsnetzwerkbus (CAN-Bus). Bei der Ausführung des vorliegenden Verfahrens 100 kann der Controller 40 den mehrphasigen Kurzschluss durch das Senden eines Satzes von Befehlssignalen (Pfeil 11 mit zwei Spitzen) in Ansprechen auf eine detektierte Fehlerbedingung selektiv implementieren. Unter Verwendung des Prozessors 42 kann der Controller 40 in den mehrphasigen Kurzschluss wechseln, welcher außerdem beliebige benötigte Motorsteuerungsalgorithmen durchführt, zum Beispiel eine Vektorsteuerung. Der Prozessor 42 gibt Gatetreibersignale direkt an die Halbleiterschalter 23 des TPIM 18, die in 1 gezeigt sind, aus.
Die Implementierung des mehrphasigen Kurzschlusszustands stellt sicher, dass vom TPIM 18 kein elektrischer Strom zurück in den DC-Bus 17 eingespeist wird und dass bei höheren Motordrehzahlen auf einen derartigen Fehler hin ein niedriges Bremsmoment aufgebracht wird. Das Verhindern des Rückflusses von elektrischem Strom an den DC-Bus 17 trägt dazu bei, dass verhindert wird, dass das TPIM 18 den DC-Bus 17 auf Pegel auflädt, welche die Leistung oder die strukturelle Integrität empfindlicher elektrischer Komponenten beeinträchtigen können, zum Beispiel von Komponenten des TPIM 18 selbst und/oder von anderen empfindlichen Komponenten wie etwa von beliebigen Zubehörleistungsversorgungen, Dioden, Relais und Umgehungskondensatoren. Es verhindert außerdem das Fließen eines ungesteuerten und möglicherweise schädlichen Aufladestroms in das Batteriemodul 20 hinein.
Immer noch mit Bezug auf 1 kann der Controller 40 als Hardwarevorrichtungen und zugehörige Software ausgeführt sein. Die Hardware/Software kann in einer einzigen physikalischen Vorrichtung wie einer Trägermaschine enthalten sein, oder sie kann über mehrere Controller des Fahrzeugs 10 hinweg verteilt sein. Zur Einfachheit der Darstellung ist der Controller 40 als eine Vorrichtung gezeigt. Der Fachmann auf dem Gebiet der Hybridantriebsstränge wird jedoch erkennen, dass Steuerungsfunktionalität häufig über verschiedene Hardware/Software-Module hinweg verteilt wird, beispielsweise auf einen Hybridcontroller auf oberster Ebene, auf einen Motorcontroller, der für die Motorvektorsteuerung und andere Motorsteuerungsfunktionalitäten verantwortlich ist, auf ein Batteriesteuerungsmodul, auf ein Klimaanlagen-Steuerungsmodul usw. Obwohl das TPIM 18 und der Controller 40 in 1 getrennt gezeigt sind, kann bei einer tatsächlichen Ausführungsform außerdem das TPIM 18 eine integrierte Einheit sein, die einen DC-Kondensator, Stromschienen, IGBTs, Gatetreiber, Stromsensoren und eine oder mehrere Steuerungsplatinen aufweist. Daher können Aspekte der vorliegenden Herangehensweise mit Bezug auf die Steuerung des TPIM 18 bei der geeigneten Steuerungsebene innerhalb der Gesamtarchitektur des Controllers 40 stattfinden.
Der Controller 40 von 1 enthält mindestens einen Prozessor 42 und eine oder mehrere konkrete nicht vorübergehende Speichervorrichtungen 44, in denen Anweisungen aufgezeichnet sind, welche die verschiedenen Schritte des Verfahrens 100 verkörpern. Der Prozessor 42 ist mit der Speichervorrichtung 44 physikalisch gekoppelt. Das Ausführen der Anweisungen durch den Prozessor 42 bewirkt, dass der Controller 40 den Übergang in eine KURZSCHLUSS-Bedingung auf die hier offengelegte Weise implementiert.
Die Speichervorrichtung 44 kann ein beliebiges computerlesbares Medium sein, das optische und/oder magnetische Platten und anderen persistenten Speicher umfasst. Anweisungen, welche die Befehlssignale (Pfeil 11 mit zwei Spitzen) enthalten, die beliebige benötigte Gatesignale enthalten, können an die verschiedenen Elemente des Fahrzeugs 10 durch Übertragungsleitungen wie etwa Koaxialkabel, Kupferdraht, Glasfasern und dergleichen übertragen werden.
Obwohl das Anlegen eines gesteuerten mehrphasigen KURZSCHLUSS-Zustands definitiv Vorteile aufweist, weist es ohne die Implementierung mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens 100 auch eine Anzahl möglicher Nachteile auf. Bei einer typischen Reaktion, etwa wenn ein Motor vom IPM-Typ mit einer relativ hohen Drehzahlrate rotiert, z. B. 1500 U/min (RPM) ohne Last und mit einem Nullstrom, kann das Anlegen eines mehrphasigen Kurzschlusses bewirken, dass die Phasenströme des Motors Höchststände erreichen. Die Umhüllende der Phasenströme fällt dann langsam, z. B. über einige zehn Millisekunden hinweg, auf einen stationären Wert ab, welcher auch als der charakteristische Strom der Maschine bekannt ist. Die tatsächliche Abfallrate ist eine Funktion der Parameter der elektrischen Maschine, z. B. der MGUs 16, 26.
Die Phasenströme können mathematisch in den synchron rotierenden Referenzrahmen, d. h. den gut bekannten d-q-Motorsteuerungs-Referenzrahmen transformiert werden. In diesem Fall ist die d-Achse typischerweise auf den Nordpol des Rotormagneten ausgerichtet. Folglich wird ein negativer d-Achsenstrom eine magnetomotorische Kraft (MMK) erzeugen, um dem Magnetfluss entgegen zu wirken. Wenn der entgegenwirkende Fluss groß genug wird, kann er den Rotormagnet entmagnetisieren. Die vorliegende Herangehensweise kann verwendet werden, um diesen Effekt zu minimieren.
Intelligenter Totzeitübergang (IDT)
Das vorliegende Verfahren 100 wird hier als intelligenter Totzeitübergang (IDT) bezeichnet. Beim Ausführen des IDT verringert der Controller 40 von 1 automatisch das Spitzenüberschwingen des negativen d-Achsenstroms und minimiert dadurch Schwingungen beim Statorstrom und beim Motordrehmoment. Statt eine Veränderung mit festen Schritten auf die angelegte Spannung anzuwenden, stellt der Controller 40 von 1 einen glatten rampenförmigen Übergang von einem OFFEN-Zustand in einen KURZSCHLUSS-Zustand über eine verstellbare Übergangsperiode hinweg bereit. Während dieser Übergangsperiode wird das TPIM 18 mit einer PWM betrieben. Innerhalb einer PWM-Schaltperiode bildet der Controller 40 jedoch einen zeitlichen Mittelwert der kurzen Segmente mit KURZSCHLUSS-Zustand und OFFEN-Zustand. Durch Verstellen der relativen Zeitdauer dieser zwei Segmente kann das TPIM 18 glatt und effektiv von OFFEN-Zuständen in KURZSCHLUSS-Zustände übergehen.
Im OFFEN-Zustand wird unter der Annahme, dass die Gegen-EMK des Motors höher als der Spannungspegel des DC-Busses 17 ist, die Motorspannung bewirken, dass die Dioden des TPIM 18 leiten und einen gewissen Phasenstrom führen, d. h. der ungesteuerte Generatormodus (UG-Modus). Im UG-Modus wird die Motorspannung auf die sechsstufige Spannung maximiert, d. h. die maximale Spannung, die von einem dreiphasigen Spannungszwischenkreisumrichter wie etwa dem TPIM 18 erreicht werden kann, unter der Annahme, dass jede Diode für 180 elektrische Grad leitet. Im Gegensatz dazu ist die angelegte Motorspannung Null, während sich das TPIM 18 im KURZSCHLUSS-Zustand befindet. Wenn eine PWM-Periode auf OFFEN- und KURZSCHLUSS-Zustände aufgeteilt wird, ist der resultierende zeitliche Mittelwert der Motorspannung proportional zu dem zeitlich gewichteten Mittelwert jeder der zwei Zustandsspannungen, d. h. der sechsstufigen Spannung und null Volt. Der Controller 40 von 1 verstellt die relative Zeitdauer der OFFEN- und KURZSCHLUSS-Zustände automatisch, um eine beliebige gewünschte Motorspannung zu erreichen. Daher kann die Motorspannung durch den Controller 40 von der maximalen sechsstufigen Spannung auf sanfte Weise hinunter auf null Volt überführt werden.
Das vorstehend beschriebene Verhalten wird erreicht, indem der PWM-Modus mit Hilfe des Controllers 40 entweder auf linksbündig oder auf rechtsbündig eingestellt wird. Wie in der Technik bekannt ist, ermöglicht eine einseitige Modulation, dass eine Flanke eines PWM-Signals moduliert wird, während die andere Flanke relativ zum Taktimpuls fest bleibt. Bei einer rechtsbündigen PWM, die auch als Modulation der voreilenden Flanke bezeichnet wird, wird die steigende Flanke des Impulses vom Beginn der Taktperiode aus verzögert, während die fallende Flanke am Ende der Taktperiode fest bleibt. Eine linksbündige PWM, die auch als die Modulation der nacheilenden Flanke bezeichnet wird, hält die voreilende Flanke am Beginn der Taktperiode fest und verzögert die fallende Flanke. Beim Ausführen des Verfahrens 100 können beide Einstellungen verwendet werden.
Bei der vorliegenden Herangehensweise stellt der Controller 40 die Tastverhältnisse aller Phasen fest auf 50% ein, so dass alle Phasen gleichzeitig schalten. Einschließlich der Totzeit gibt es drei verschiedene Zustände während einer PWM-Periode, von denen zwei eindeutig sind. Wenn alle oberen oder unteren Schalter der Halbleiterschalter 23 eingeschaltet sind, wird für den gesteuerten Motor effektiv ein KURZSCHLUSS erzeugt und dies führt folglich zu einer Bedingung mit 0 VAC auf dem AC-Bus 15. Bei einer Ausführungsform, bei der die MGUs 16 und 26 beide verwendet werden, werden die MGUs 16, 26 unabhängig voneinander gesteuert und AC-Ausgaben, die an jede Maschine gehen, sind gleichermaßen unabhängig.
Zusätzlich fügt das TPIM 18 bei jedem PWM-Schaltübergang mit Hilfe der Befehlssignale (Pfeil 11 mit zwei Spitzen) vom Controller 40, der in 1 gezeigt ist, automatisch eine Totzeit ein, um eine Überkreuz-Leitung der oberen und unteren Schalter im TPIM 18 zu vermeiden, eine Bedingung, die im Wesentlichen das Batteriemodul 20 kurzschließen würde, und möglicherweise zu einer Beschädigung der Halbleiterschalter 23 führt. Während der Zeitdauer der eingefügten Totzeit werden die Halbleiterschalter 23 in einem ausgeschalteten Zustand gehalten, d. h. der OFFEN-Zustand ist aktiv.
Während der Zeitdauer des OFFEN-Zustands wird die Anschlussspannung des gesteuerten Motors, zum Beispiel der zweiten MGU 26, durch die Beziehung der Gegen-EMK des Motors zu der DC-Koppelspannung, d. h. der Spannung des DC-Busses 17, und durch die Werte der drei Phasenströme bestimmt. Wenn die Gegen-EMK größer als die DC-Koppelspannung ist, dann kann die Anschlussspannung aufgrund der Leitung der Dioden innerhalb des TPIM 18 wie die sechsstufige Spannung behandelt werden. Der Controller 40 verändert die Zeitdauer der Totzeit innerhalb der PWM-Periode, um die vom TPIM 18 angelegte Spannung zu verstellen.
Übergang in den mehrphasigen Kurzschluss
Um den Übergang in den mehrphasigen KURZSCHLUSS-Zustand durchzuführen, aktiviert und wählt der Controller 40 entweder die linksbündige oder die rechtsbündige PWM für das TPIM 18. Der Controller 40 setzt dann die anfängliche Totzeit auf einen maximalen Totzeitwert T_{d_max}:
wobei T_SW die PWM-Schaltperiode ist und T_{min_PW} die Grenze für die minimale Impulsbreite des TPIM 18 ist, welche eine Eigenschaft der Konstruktion des speziellen TPIM 18 ist, das verwendet wird. Der maximale Totzeitwert T_{d_max} kann so gewählt sein, dass er eine maximale OFFEN-Zeit innerhalb der Grenzen für die minimale Impulsbreite bereitstellt. Für ein typisches Umrichtermodul ist der Wert ein klein wenig geringer als die Hälfte der Gesamtschaltperiode (T_SW).
Die minimale Totzeit T_{d_min} ist der Totzeitwert, der bei einem normalen Umrichterbetrieb verwendet wird, z. B. 3 μs, und wird durch Hardwareanforderungen bestimmt. Die tatsächliche Totzeit T_d wird beschränkt, so dass sie innerhalb der Minimal- und Maximalwerte bleibt: T_{d_min} ≤ T_d ≤ T_{d_max}
Zum Übergang vom OFFEN-Zustand in den KURZSCHLUSS-Zustand verstellt der Controller 40 von 1 die Totzeit auf lineare Weise vom Maximalwert (T_{d_max}) auf den Minimalwert (T_{d_min}) über eine vorbestimmte Periode hinweg. Dieser Übergang wird nachstehend mit Bezug auf 4 erläutert.
Mit Bezug auf 2A–C veranschaulichen diese drei Figuren drei verschiedene Wellenformen, die obere und untere Schaltertreibersignale für obere und untere Schalter der in 1 gezeigten Halbleiterschalter 23 für jeweilige Totzeitwerte beschreiben. Bei jeder dieser Figuren stellen die schraffierten Bereiche 50 den hier vorstehend zuvor erläuterten UG-Zustand dar.
In 2A ist die Totzeit auf den Maximalwert (T_{d_max}) eingestellt, um den OFFEN-Zustand zu approximieren. 2B zeigt einen Totzeit-Zwischenwert, der zu einem OFFEN-Zustand von etwa 50% und zu etwa 50% der sechsstufigen Spannung führt. 2C zeigt den minimalen Totzeitwert (T_{d_min}), der zu einer niedrigen von Null verschiedenen Motorspannung führt. Gemeinsam veranschaulichen 2A–C wie der Controller 40 von 1 durch Verstellen der Totzeit des TPIM 18 auf glatte Weise von einem effektiven OFFEN-Zustand bis hin in einen KURZSCHLUSS-Zustand übergehen kann.
Bestimmung der optimalen Übergangszeit
Mit Bezug auf 3 veranschaulicht ein Satz von Verläufen 60 Beispiele von drei verschiedenen beispielhaften Spannungs/Drehzahl-Verläufen 62, 64 und 66. Der prozentuale Anteil des Überschwingens des Motorspitzenstroms (% OS) ist auf der Y-Achse aufgetragen, d. h. der d-Achsen-Spitzenstrom mit Bezug auf einen stationären KURZSCHLUSS-Strom, während die Übergangszeit auf der X-Achse aufgetragen ist, wobei die Zeit in 3 auf die Motorgrundperiode T_e für verschiedene Betriebsbedingungen, d. h. verschiedene Drehzahlen und DC-Spannungen normiert ist. Die optimale Übergangszeit, die hier so definiert ist, dass sie die schnellste verfügbare Übergangszeit ist, die noch ein akzeptables Stromüberschwingen aufweist, ist eine Funktion der elektrischen Periode des Motors, welche wiederum proportional zur Motordrehzahl ist.
3 veranschaulicht die Tatsache, dass das Überschwingen des Motorspitzenstroms auf unter etwa 10% begrenzt werden kann, wenn die Übergangszeit auf etwa das 2- bis 3-fache der elektrischen Grundperiode des Motors gesetzt wird. Beim Ausführen des Verfahrens 100 kann der Controller 40 von 1 daher die gemessene Motordrehzahl verwenden, wenn diese Daten verfügbar sind, um die optimale Übergangszeit zu bestimmen, und er kann die Übergangszeit auf den gewünschten Wert einstellen, um einen speziellen Überschwingwert zu erreichen.
Beispielsweise kann die Anstiegszeit (t_r) auf 300% der elektrischen Grundperiode eingestellt werden, um während des Übergangs in den KURZSCHLUSS-Zustand ein Überschwingen von etwa 10% der Stromtransienten aufrecht zu erhalten. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird die Grundperiode zu lang. Jedoch wird bei diesen Bedingungen die Motordynamik stärker gedämpft und damit wird das Stromüberschwingen ein geringeres Problem. Die Übergangszeit kann daher auf einen Maximalwert, beispielsweise 50 ms, begrenzt werden, um einen längeren Übergang zu vermeiden, während akzeptable Pegel des Stromüberschwingens aufrechterhalten werden.
Anfangsbedingung für die Totzeit
Zum Durchführen des Übergangs in den KURZSCHLUSS-Zustand bestimmt der Controller 40 zunächst den Anfangswert, der für die auferlegte Totzeit verwendet werden soll. Wenn die Motordrehzahl hoch ist und die Gegen-EMK des Motors die verfügbare DC-Koppelspannung überschreitet, dann kann der Controller 40 das PWM-Tastverhältnis auf den Maximalwert, d. h. T_{d_max} einstellen, der vorstehend beschrieben ist. Wenn die Motordrehzahl jedoch relativ niedrig ist und die Gegen-EMK kleiner als die DC-Koppelspannung ist, wird, wenn die Totzeit vom Maximalwert T_{d_max} aus rampenförmig absinkt, kein Durchschnittsstrom fließen, bis die zeitlich gemittelte PWM-Spannung gleich der Gegen-EMK ist. Bei sehr niedrigen Motordrehzahlen wird ein signifikanter Teil der Rampenzeit vergeudet werden, ohne einen Durchschnittsstrom aufzubauen. Diese Bedingung kann zu einem ungewollten Überschwingen führen, da die effektive Anstiegszeit geringer als gewünscht sein wird.
Aus diesem Grund kann der Controller 40 von 1 bei einigen Betriebsbedingungen bei einem anderen Wert als der maximalen Totzeit starten. Der Controller 40 kann einen Totzeitwert berechnen, der bewirken wird, dass die Ausgangsspannung aus dem TPIM 18 von 1 gleich der Gegen-EMK des Motors ist, der gesteuert wird, z. B. der zweiten MGU 26 von 1. Vom Controller 40 kann die folgende Gleichung verwendet werden:
wobei BEMF die Gegen-EMK des Motors ist (skaliert auf Voltspitze von Leitung zu Leitung), V_DC die DC-Koppelspannung ist und %UCG der gewünschte Prozentsatz der UG ist. Der Controller 40 kann dann den gewünschten Prozentsatz der UG in einen Totzeitwert umsetzen, der als Anfangsbedingung (T_{d_IC}) für den Übergang in den Kurzschluss verwendet werden kann. Zum Beispiel: T_{d_IC} = (T_{d_max})(%UCG)
Bei dieser Herangehensweise benötigt die Anfangsbedingung Motordrehzahlinformationen, um die Gegen-EMK zu berechnen, sowie Informationen zur DC-Koppelspannung, um die Anfangsbedingung des prozentualen UG zu bestimmen. Wenn eines dieser Signale nicht verfügbar ist, kann der Übergang unter Verwendung der maximalen Totzeit als Anfangsbedingung beginnen.
Drehzahlschätzung bei Bedingung mit ausgefallenem Drehzahlsensor
In einigen Fällen ist die Motordrehzahl nicht verfügbar. In diesem Fall kann der Controller 40 die Motordrehzahl schätzen. Zu diesem Zweck werden mindestens zwei funktionsfähige Phasenstromsensoren benötigt. Bei einem Motor in Y-Schaltung mit nicht angeschlossenem Neutralpunkt kann der dritte Phasenstrom als die negative Summe der beiden anderen berechnet werden, d. h. i_c = –i_a – i_b, wie in der Technik gut bekannt ist.
Die Ströme des stationären ABC-Rahmens für den Motor, der gesteuert wird, z. B. die zweite MGU 26, können vom Controller 40 von 1 in die äquivalenten Größen αβ des stationären Rahmens wie folgt transformiert werden:
Für ein ausgeglichenes System gilt a + b + c = 0 und daher:
Die zeitliche Ableitung des Winkels des resultierenden Stromvektors kann verwendet werden, um die Motordrehzahl zu schätzen. Da der Ableitungsterm inhärent rauschbehaftet ist, kann das Signal über eine geeignete Periode, beispielsweise 3 ms hinweg gemittelt werden. Die Berechnung der resultierenden geschätzten Drehzahl stellt eine für das vorgeschlagene Verfahren 100 angemessene Genauigkeit bereit. Dieser Schätzungsansatz wird vom Controller 40 nur verwendet, wenn der Drehzahlsensor fehlerhaft ist und Strom in den gesteuerten Motor fließt. Es kann notwendig sein, dass der Controller 40 die Totzeit bis zu einem Punkt reduziert, bei dem Strom fließt, um die Motordrehzahl zu schätzen, wie nachstehend mit Bezug auf 5 beschrieben wird.
Die αβ-Ströme in der vorstehenden Gleichung sind sinusförmige Größen mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad. Der Winkel des Statorstromvektors γ kann wie folgt berechnet werden:
Die augenblickliche Motorwinkelgeschwindigkeit ω_r kann dann als die zeitliche Ableitung der Statorstromposition γ berechnet werden, welche als die Positionsänderung über aufeinanderfolgende Schaltperioden hinweg berechnet werden kann:
wobei γ[k] der Stromvektorwinkel während der aktuellsten Abtastperiode ist und γ[k – 1] der Stromvektorwinkel während der vorherigen Abtastperiode ist. Da die Berechnung der augenblicklichen Motorwinkelgeschwindigkeit anfällig für Rauschen ist, kann das Ergebnis durch ein Filter mit gleitendem Mittelwert hindurchgeleitet werden, um das Ergebnis zu glätten und eine akzeptable Genauigkeit mit minimalen Berechnungszusatzkosten bereitzustellen.
Totzeitkompensation für glatten Übergang auf null Volt aktivieren
Während der Übergangsperiode, wenn die Totzeit vom Controller 40 dynamisch verstellt wird, wird eine Totzeitkompensation (DTC) nicht verwendet. DTC ist eine bekannte Technik, bei der die Phasentastverhältnisse eines Umrichters, z. B. des TPIM 18 von 1, verstellt werden, um den Effekt der Umrichtertotzeit aufzuheben. Diese Herangehensweise wird bei Spannungszwischenkreisumrichtern häufig verwendet, um die Spannungslinearität zu verbessern und Verzerrungen zu verringern. Während der Steuerungsphase des Verfahrens 100, bei der die Totzeit dynamisch verstellt wird, um ein OFFEN-Segment mit variabler Zeitdauer in jede PWM-Periode einzufügen, kann das Verwenden der DTC jedoch den gewünschten Effekt zerstören. Es ist daher notwendig, dass die DTC vom Controller 40 immer dann deaktiviert wird, wenn der Controller 40 die Totzeit dynamisch verstellt.
Wie in 2C gezeigt ist, wird die minimale Totzeit (T_{d_min}) durch die Anforderungen des TPIM 18 begrenzt, um eine Überkreuz-Leitung der oberen und unteren Schalter der in 1 gezeigten Halbleiterschalter 23 zu verhindern. Die Totzeit kann nicht bis auf Null verringert werden. Die Totzeit liegt typischerweise in der Größenordnung von 3 μs für Umrichter, die mit Leistungsvorrichtungen arbeiten, die auf 600 VDC ausgelegt ist. Daher kann der Controller 40 bei dem vorliegenden IDT-Ansatz die Motorspannung nicht auf null Volt setzen. Bei einer PWM-Periode mit 10 kHz mit zwei Einschüben von 3 μs Totzeit pro PWM-Periode würde dies zu einem OFFEN-Zustand von 6 μs für jede Periode mit 100 μs als minimaler Grenze oder zu etwa 6% führen. Wenn folglich die Totzeit rampenförmig bis auf ihren minimalen Wert heruntergefahren wurde und ein fester Kurzschluss-Zustand vom Controller 40 angelegt wurde, wird der gesteuerte Motor eine stufenförmige Spannungsänderung von mindestens 6% der Gegen-EMK wahrnehmen. Dies kann eine ungewollte Transiente in den Motorstrom einbringen. Bei niedrigen Motordrehzahlen kann der Effekt ausgeprägter sein, wenn die Gegen-EMK geringer als die DC-Koppelspannung ist. In diesen Fällen kann die stufenförmige Änderung erheblich größer als 6% sein.
Um diesen Effekt zu kompensieren, kann der Controller 40 die DTC aktivieren, sobald die Totzeit ihren Minimalwert erreicht hat. Statt die DTC unmittelbar zu aktivieren, kann der Controller 40 die DTC allmählich einführen, um die effektive Motorspannung allmählich auf Null abzusenken. Dadurch wird der Motor eine glatte lineare Reduktion der Motorspannung über die gesamte Übergangsperiode hinweg wahrnehmen, wodurch die Stromtransiente minimiert wird.
Mit Bezug auf 4A und 4B veranschaulichen beispielhafte Zeitdiagramme, wie die DTC vom Controller 40 von 1 für zwei mögliche Wege des Flussdiagramms des Verfahrens 100, das in 6 gezeigt ist, selektiv verwendet werden kann, d. h. wenn Schritt 104 mit der Bestätigung (J) beantwortet wird, oder wenn Schritte 104 und 105 beide mit der Verneinung (N) beantwortet werden. In diesen zwei Fällen werden die Schritte 114–122 nicht ausgeführt.
4A und 4B veranschaulichen, wie die DTC verwendet wird, sobald die Totzeit ihren Minimalwert (T_{d_min}) erreicht, wodurch ein Weg zum glatten Verringern der Motorspannung auf Null bereitgestellt wird. Der Verlauf 70 von 4A stellt die Totzeit mit Bezug auf die Anfangsbedingungen (IC) dar. Zwischen t₀ und t₁ ist ein OFFEN-Zustand vorhanden, da alle Halbleiterschalter geöffnet sind, um zu ermöglichen, dass sich ein Anfangsstrom dem UG-Wert nähert. Von t₃ bis t₄ wird die Totzeit (Verlauf 70) rampenförmig abgesenkt. Der Verlauf 80 von 4B ist ein entsprechender Verlauf, der einen Verstärkungsfaktor K_DTC veranschaulicht, der zwischen t₄ und t₅ auf die endgültige DTC-Tastverhältniseinstellung angewendet wird. Bei der Ausführungsform von 4A–4B wird der in 6 gezeigte Schritt 104 mit der Bestätigung (J) beantwortet, d. h. ein Drehzahlsensor der MGU 16 oder 26 ist verfügbar.
4A und 4B treffen auch zu, wenn Drehzahl- und Stromsensoren fehlerhaft oder nicht verfügbar sind, d. h. wenn die Schritte 104 und 105 beide negativ beantwortet werden. In diesen Fällen werden die Schritte 114–122 des in 6 gezeigten Verfahrens 100 nicht ausgeführt und folglich beginnt der Controller 40 den Totzeitübergang bei t₃. Daher ist in 4A der Wert der Totzeit (Verlauf 70) bei seiner Anfangsbedingung (IC) bei t₁, t₂ und t₃. Durch die Notation t_1,2,3 ist 4A daher vereinfacht. Bei diesen Zeitpunkten ist die linksbündige oder rechtsbündige PWM aktiviert.
Der Übergang vom OFFEN-Zustand in den KURZSCHLUSS-Zustand beginnt bei t_1,2,3 und tritt über die Anstiegszeit t_r hinweg auf. Während der ersten Phase (t_a) d. h. der Zeitdauer zwischen t_1,2,3 und t₄ wird die Totzeit linear von T_{d_max} rampenförmig auf den Minimalwert T_{d_min} heruntergefahren. Während der zweiten Phase (t_b), die bei t₄ beginnt, kann der Controller 40 die DTC aktivieren. Die DTC wird linear eingeführt, um einen glatten Übergang in den KURZSCHLUSS-Zustand bereitzustellen. Durch dieses Merkmal gibt es nur minimale Störungen für den Phasenstrom über die Periode (t_b) hinweg und die Motorspannung nimmt über die gesamte Übergangsperiode hinweg linear ab. Zum Verwenden der DTC werden Informationen zum gemessenen Phasenstrom benötigt. Im Fall, dass der Stromsensor ausgefallen ist, wird dieses abschließende Einführen der DTC über die Zeitdauer von t_b hinweg nicht verwendet.
5A und 5B veranschaulichen den Fall, bei dem ein Drehzahlsensor für die MGU 16 oder 26 fehlerhaft oder nicht verfügbar ist, aber Stromdaten für die MGU 16 oder 26 verfügbar sind, d. h. wenn Schritt 104 negativ (N) beantwortet wird und Schritt 105 mit einer Bestätigung (J) beantwortet wird. In dieser Situation werden die Schritte 114–122 ausgeführt. Bei t₁ in einem OFFEN-Zustand startend veranschaulicht Verlauf 170 von 5A allgemein das gesteuerte rampenförmige Herunterfahren der Totzeit (T_d) bis zu t₂, wenn der Phasenstrom einen kalibrierten Schwellenwert erreicht. Diese Totzeit wird bis zu t₃ konstant gehalten, während die Drehzahl der MGU 16 oder 26 geschätzt wird. Bei t₃ startend fährt der Controller 40 unter Verwendung der neu berechneten Rampenzeitdauer mit dem Übergang fort, wobei er die minimale Totzeit etwa bei t₄ erreicht. Dieser Pegel wird dann bis zu t₅ konstant gehalten, dem Ende des Übergangs. Zwischen den Zeitpunkten t₄ und t₅ wird die DTC linear eingeführt, um die effektive Motorspannung auf Null zu bringen. 4A–5B werden nachstehend in Verbindung mit 6 in weiterem Detail beschrieben.
6 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm zum Ausführen des vorliegenden Verfahrens 100. Details zu verschiedenen Schritten sind vorstehend bereitgestellt. Mit Schritt 102 beginnend öffnet der Controller 40 auf das Detektieren eines Fehlers in einer der MGUs 16 oder 26 hin die Halbleiterschalter 23 des TPIM 18 für dasjenige Antriebssystem, das den Fehler aufweist. Dann geht das Verfahren 100 zu Schritt 104 weiter, möglicherweise nach einem Pausieren zwischen t₀ und t₁, um zu ermöglichen, dass sich die Ströme an den stationären UG-Strom annähern. Dies ist in 4A und 5A gezeigt, wobei der OFFEN-Zustand zwischen t₀ und t₁ vorhanden ist.
Bei Schritt 104 verifiziert der Controller 40 von 1, ob Drehzahldaten verfügbar sind, sei es von einem Drehzahlsensor oder auf andere Weise. Der Controller 40 geht zu Schritt 106 weiter, wenn Drehzahldaten verfügbar sind. Andernfalls führt der Controller 40 Schritt 105 aus.
Nachdem der Controller 40 bei Schritt 104 festgestellt hat, dass Drehzahldaten nicht verfügbar sind, stellt er bei Schritt 105 fest, ob Messdaten für den elektrischen Strom verfügbar sind. Wenn derartige Messdaten verfügbar sind, geht der Controller 40 zu Schritt 114 weiter. Andernfalls führt der Controller 40 Schritt 107 aus.
Bei Schritt 106 berechnet der in 1 gezeigte Controller 40 die Gegen-EMK der MGU, wie vorstehend an anderer Stelle erläutert wurde, und geht dann zu Schritt 108 weiter. Die Bedingungen von Schritt 106–112 sind mit Bezug auf 4A und 4B beschrieben.
Bei Schritt 107 wählt der Controller 40 die maximale Totzeit T_{d_max} für die Anfangsbedingungen der Totzeit und setzt die Übergangszeit auf den Maximalwert, zum Beispiel 50 ms, und geht zu Schritt 128 weiter.
Bei Schritt 108 vergleicht der Controller 40 die berechnete Gegen-EMK (BEMK) von Schritt 106 mit der DC-Koppelspannung (VDC). Der Controller 40 geht zu Schritt 110 weiter, wenn die Gegen-EMK kleiner als die DC-Koppelspannung ist. Andernfalls geht der Controller 40 zu Schritt 109 weiter.
Bei Schritt 109 verwendet der Controller 40 die maximale Totzeit T_{d_max} für die Anfangsbedingungen der Totzeit und geht dann zu Schritt 124 weiter.
Bei Schritt 110 berechnet der Controller 40 das Verhältnis BEMK / VDC , zeichnet dieses in der Speichervorrichtung 44 auf und geht zu Schritt 112 weiter.
Bei Schritt 112 bestimmt der Controller 40 die Anfangsbedingungen für die auferlegte Totzeit und geht dann zu Schritt 124 weiter.
Bei Schritt 114 und mit Bezug auf die Verläufe 170 und 180 von 5A und 5B, die nur für die Bedingungen zutreffen, die in den Schritten 114–122 beschrieben sind, berechnet der Controller 40 die äquivalenten Stationärrahmenströme Iα und Iβ aus den gemessenen Phasenstromwerten, zeichnet diesen Wert in der Speichervorrichtung 44 auf und geht zu Schritt 116 weiter. Wie vorstehend erwähnt wurde, werden die Schritte 114–122 nicht ausgeführt, wenn Schritt 104 mit einer Zustimmung (J) beantwortet wird oder wenn die Schritte 104 und 105 beide negativ (N) beantwortet werden.
Bei Schritt 116 berechnet der Controller 40 den Phasenwinkel ∠I →_S und die Amplitude |I →_S| aus den Statorstromvektorkomponenten Iα und Iβ von Schritt 114, zeichnet diesen Wert in der Speichervorrichtung 44 auf und geht zu Schritt 118 weiter.
Bei Schritt 118 vergleicht der Controller 40 die bei Schritt 116 berechnete Amplitude mit einem kalibrierten Schwellenwert und geht zu Schritt 120 weiter, wenn die Amplitude den Schwellenwert überschreitet. Wenn die Amplitude kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist, geht der Controller 40 stattdessen zu Schritt 119 weiter.
Bei Schritt 119 fährt der Controller 40, wie in 5A gezeigt ist, die Totzeit (T_d) unter Verwendung einer Standardrate von t₁ bis t₂ rampenförmig herunter und kehrt dann zu Schritt 114 zurück.
Bei Schritt 120 verweilt der Controller 40 bei der gegenwärtigen Totzeit. Die augenblickliche Drehzahl wird aus der Änderungsrate des Statorstromvektorwinkels über die Zeit berechnet und so gespeichert, dass der Mittelwert bei 122 berechnet werden kann.
Bei Schritt 122 berechnet der Controller 40 von 1 während der Zeitdauer von Schritt 120, d. h. während bei dem gegenwärtigen Totzeitwert verweilt wird, die durchschnittliche Drehzahl aus dem Wert ∠I →_S und geht dann zu Schritt 124 weiter.
Bei Schritt 124 bestimmt der Controller 40 die Übergangszeit als Funktion der Motordrehzahl. Die Motordrehzahl kann der tatsächliche Drehzahlmesswert von Schritt 104 sein oder sie kann bei Schritt 122 berechnet worden sein. Sobald die Übergangszeit bestimmt worden ist, geht der Controller 40 zu Schritt 126 weiter.
Bei Schritt 126 berechnet der Controller 40 den prozentualen Anteil der zu reservierenden Rampenzeit um die Totzeit gegenüber dem Einführen der DTC zu verstellen. Nach dem Berechnen geht der Controller 40 zu Schritt 128 weiter.
Bei Schritt 128 fährt der Controller 40 die Totzeit rampenförmig zwischen t₃ und t₄ herunter, wie in 4A und 5A gezeigt ist. Dann geht der Controller 40 zu Schritt 130 weiter.
Bei Schritt 130 stellt der Controller fest, ob die Totzeit kleiner oder gleich der minimalen Totzeit ist. Wenn nicht, wird Schritt 128 wiederholt. Andernfalls geht der Controller 40 zu Schritt 132 weiter.
Bei Schritt 132 führt der Controller 40 die Totzeitkompensation zwischen t₄ und t₅ ein, wie in 4B und 5B gezeigt ist, und geht dann zu Schritt 134 weiter.
Bei Schritt 134 stellt der Controller 40 fest, ob die DTC vollständig eingeschaltet ist. Wenn dem so ist, geht der Controller 40 zu Schritt 136 weiter. Andernfalls wird Schritt 132 wiederholt.
Bei Schritt 136 legt der Controller 40 den KURZSCHLUSS-Zustand bei t₅ von 4B und 5B an.
Die Ausführung des Verfahrens 100 durch den in 1 gezeigten Controller 40, wie sie vorstehend mit Bezug auf 2A–6 beschrieben ist, hat mehrere mögliche Vorteile. Einer der Magnete mit höchster Leistung, die heutzutage verwendet werden, ist der Selten-Erde-Magnet vom NeFeB-Typ. Es werden mehrere Additive verwendet, um die Eigenschaften dieses Magnets zu verbessern, wobei eines davon Dysprosium ist. Das Reduzieren des großen transienten negativen d-Achsenstroms durch das Verfahren 100 kann eine Reduktion des Dysprosium-Gehalts ohne Entmagnetisierung ermöglichen, wodurch Motorkosten verringert werden. Ähnliche Ergebnisse sind mit kostengünstigeren Ferritmagneten möglich.
Bei jeder Konstruktion von IPM-Motoren ist unabhängig vom Magnettyp der negative d-Achsen-Spitzenstrom eine Entwurfsbeschränkung. Das heißt, dass ein Konstrukteur die Rotorgeometrie so optimieren muss, dass eine Entmagnetisierung des Magnets bei dem erwarteten negativen d-Achsen-Spitzenstrom vermieden wird. Die Reduktion der Amplitude des Spitzenstroms mit Hilfe des Verfahrens 100 erleichtert Probleme mit der Entmagnetisierung, wodurch möglicherweise eine verbesserte Drehmomentdichte und/oder Effizienz ermöglicht wird.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.

Claims

System, umfassend: eine mehrphasige elektrische Permanentmagnet-Synchronmaschine mit einem negativen d-Achsenstrom; einen DC-Bus; einen AC-Bus; eine DC-Leistungsversorgung; ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM), das über den DC-Bus mit der DC-Leistungsversorgung und über den AC-Bus mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, wobei das PIM einen Satz von Halbleiterschaltern enthält, die gesteuert werden, um eine AC-Spannung in eine DC-Spannung und umgekehrt umzusetzen; und einen Controller in Verbindung mit dem PIM, der ausgestaltet ist, um: eine Fehlerbedingung im System zu detektieren; eine anfängliche Totzeit zu bestimmen; die Tastverhältnisse der Pulsbreitenmodulation (PWM-Tastverhältnisse) aller Phasen der elektrischen Maschine auf 50% einzustellen, so dass alle Phasen gleichzeitig schalten; einen mehrphasigen OFFEN-Zustand an den AC-Bus in Ansprechen auf die detektierte Fehlerbedingung anzulegen; und als Abhilfe schaffende Maßnahme in einen mehrphasigen KURZSCHLUSS-Zustand überzugehen, indem eine verstellbare Totzeit bei jedem PWM-Schaltübergang des PIM über eine berechnete Rampenzeitdauer hinweg automatisch eingeführt wird, wodurch über die berechnete Rampenzeitdauer hinweg von der anfänglichen Totzeit zu einer minimalen Totzeit übergegangen wird; wobei der Übergang ein Spitzenüberschwingen des negativen d-Achsenstroms des Antriebsmotors während der detektierten Fehlerbedingung reduziert.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller den Übergang einführt, indem er selektiv einen Satz von Befehlssignalen an das PIM sendet, um ein rechts- oder linksbündiges PWM-Schalten mit Hilfe der Halbleiterschalter zu implementieren.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller die verstellbare Totzeit bei jedem PWM-Schaltübergang des PIM automatisch einfügt, um dadurch eine Überkreuz-Leitung der Halbleiterschalter zu vermeiden.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller ausgestaltet ist, um: eine Drehzahl der elektrischen Maschine zu bestimmen; eine DC-Koppelspannung vom DC-Bus zu empfangen; mit Hilfe eines Prozessors die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) der elektrischen Maschine unter Verwendung der gemessenen Drehzahl zu berechnen; und unter Verwendung des Prozessors die anfängliche Totzeit auf der Grundlage eines Verhältnisses der Gegen-EMK zu der DC-Koppelspannung zu berechnen.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller ausgestaltet ist, um: festzustellen, wenn ein Motordrehzahlsensor fehlerhaft oder nicht verfügbar ist; einen Stromvektorwinkel der Phasenströme zu messen, wenn der Motordrehzahlsensor fehlerhaft oder nicht verfügbar ist und Strom in der elektrischen Maschine fließt; eine gefilterte zeitliche Ableitung des gemessenen Stromvektorwinkels zu berechnen; und eine Drehzahl der elektrischen Maschine unter Verwendung der gefilterten zeitlichen Ableitung zu schätzen.
Verfahren, das umfasst, dass: eine Fehlerbedingung in einem Fahrzeug, das eine elektrische mehrphasige Permanentmagnet-Synchronmaschine aufweist, unter Verwendung eines Controllers detektiert wird, wobei der Controller mit einem Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM) in Verbindung steht, welches einen Satz von Halbleiterschaltern aufweist, und wobei das PIM mit einem DC-Batteriemodul und mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist; die Pulsbreitenmodulations-Tastverhältnisse (PWM-Tastverhältnisse) aller Phasen der elektrischen Maschine auf 50% gesetzt werden, so dass alle Phasen gleichzeitig schalten; in Ansprechen auf die detektierte Fehlerbedingung ein mehrphasiger OFFEN-Zustand an den AC-Bus angelegt wird; eine anfängliche Totzeit bestimmt wird; und über eine berechnete Rampenzeitdauer hinweg in einen mehrphasigen KURZSCHLUSS-Zustand als eine Abhilfe schaffende Maßnahme übergegangen wird, indem automatisch bei jedem PWM-Schaltübergang des TPIM eine verstellbare Totzeit eingefügt wird, was umfasst, dass über die berechnete Rampenzeitdauer hinweg von der anfänglichen Totzeit zu einer minimalen Totzeit übergegangen wird, um dadurch ein Spitzenüberschwingen eines negativen d-Achsenstroms der elektrischen Maschine während derdetektierten Fehlerbedingung zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner umfasst, dass: die anfängliche Totzeit auf einen maximalen Totzeitwert (T_{d_max}) als Funktion der PWM-Schaltperiode und einer Grenze der minimalen Impulsbreite des TPIM gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Funktion von dem Controller ausgeführt wird und gleich ist:
wobei T_SW die PWM-Schaltperiode ist und T_{min_PW} die Grenze der minimalen Impulsbreite des TPIM ist.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner umfasst, dass: eine Drehzahl der elektrischen Maschine gemessen wird; die DC-Koppelspannung empfangen wird; die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) der elektrischen Maschine unter Verwendung der gemessenen Drehzahl berechnet wird; und die anfängliche Totzeit unter Verwendung eines Verhältnisses der Gegen-EMK zu der DC-Koppelspannung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner umfasst, dass: ein Stromvektorwinkel der Phasenströme gemessen wird, wenn ein Motordrehzahlsensor fehlerhaft ist und Strom in der elektrischen Maschine fließt; eine gefilterte zeitliche Ableitung des gemessenen Stromvektorwinkels berechnet wird; eine Drehzahl der elektrischen Maschine unter Verwendung der gefilterten zeitlichen Ableitung geschätzt wird; die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) der elektrischen Maschine unter Verwendung der geschätzten Drehzahl berechnet wird; und die anfängliche Totzeit unter Verwendung eines Verhältnisses der Gegen-EMK zu der DC-Koppelspannung berechnet wird.