DE102016206059A1

DE102016206059A1 - Method and control unit for operating a rotating field machine at a standstill or starting a rotor of the induction machine, as well as vehicle drive train

Info

Publication number: DE102016206059A1
Application number: DE102016206059.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Maier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät (6) zum Betreiben einer Drehfeldmaschine (1) mittels eines Wechselrichters (5) bei einem Stillstand oder Anfahren eines Rotors der Drehfeldmaschine (1), wobei ein Raumzeiger (204, 205, 301) für einen elektrischen Strom (iα, iβ; id, iq) oder eine elektrische Spannung zur Erzeugung eines magnetischen Statorfeldes schwingend bewegt wird, um den über den Wechselrichter (5) dabei fließenden elektrischen Strom (iu, iv, iw) über wechselnde Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters (5) zu führen. Hierbei ist die Schwingung des Raumzeigers (204, 205, 301) eine Rauschschwingung.The invention relates to a method and a control device (6) for operating a rotating field machine (1) by means of an inverter (5) at a standstill or starting a rotor of the induction machine (1), wherein a space vector (204, 205, 301) for an electrical Current (iα, iβ; id, iq) or an electrical voltage for generating a magnetic stator field is oscillated to the electric current flowing through the inverter (5) (iu, iv, iw) via alternating power semiconductor switches of the inverter (5) respectively. Here, the vibration of the space vector (204, 205, 301) is a noise vibration.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine mittels eines Wechselrichters bei einem Stillstand oder Anfahren eines Rotors der Drehfeldmaschine. Sie betrifft auch ein Steuergerät zur Ansteuerung von Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters für eine Drehfeldmaschine mit einem Bestimmungsmodul, um einen Soll-Strom- oder Spannungsraumzeiger für die Drehfeldmaschine zu ermitteln, und sie betrifft auch ein Fahrzeugantriebsstrang mit einem solchen Steuergerät.The invention relates to a method for operating a rotating field machine by means of an inverter at a standstill or starting a rotor of the induction machine. It also relates to a control device for controlling power semiconductor switch of an inverter for a rotating field machine with a determination module to determine a desired current or voltage space pointer for the induction machine, and it also relates to a vehicle powertrain with such a controller.

Elektrische Maschinen sind, wenn sie als Traktionsantrieb in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges vorgesehen sind, meist als Drehfeldmaschinen ausgeführt, beispielsweise als Synchron- oder Asynchronmaschine. Die Ansteuerung erfolgt in der Regel mehrphasig über einen Wechselrichter, welcher insbesondere in einer B6-Brückenschaltung mit Leistungshalbleiterschalter ausgeführt sein kann. Durch Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal (PWM) wird in dem Wechselrichter aus einer Gleichspannung ein Spannungs- und Stromverlauf zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugt. Durch den Spannungs- und Stromverlauf wird am Stator der Drehfeldmaschine ein magnetisches Feld (Statorfeld) erzeugt, das am Rotor der Drehfeldmaschine ein gewisses Drehmoment bewirkt.Electrical machines are, if they are provided as traction drive in a drive train of a motor vehicle, usually designed as a rotating field machines, for example as a synchronous or asynchronous machine. The control is usually carried out in multiple phases via an inverter, which can be designed in particular in a B6 bridge circuit with power semiconductor switch. By driving the power semiconductor switch with a pulse-width modulated drive signal (PWM), a voltage and current profile for operation of the induction machine is generated in the inverter from a DC voltage. Due to the voltage and current course, a magnetic field (stator field) is generated at the stator of the induction machine, which causes a certain torque on the rotor of the induction machine.

Um die PWM zu berechnen wird regelmäßig die Raumzeigertheorie angewandt. Durch sie lässt sich ein 3-phasiges System (uvw-Koordinatensystem für die Phasen der Drehfeldmaschine) durch ein orthogonales, statorfestes α-β-Koordinatensystem ersetzen, das zu einer Vereinfachung in der Beschreibung und dadurch der Regelung des Systems führt. Durch die Einführung des α-β-Koordinatensystems werden die physikalischen Größen von Strom und Spannung eine räumliche Ausrichtung zugesprochen, man spricht dann von Raumzeigern. Mit Hilfe der nun räumlichen Ausrichtung lassen sie die Phasengrößen, wie beispielsweise der Strom und die Spannung der jeweiligen Motorphase einfach durch Vektoraddition zu einer Größe zusammenfassen. Die nun berechnete Größe kann in dem α-β-Koordinatensystem dargestellt werden. Mit dieser Darstellungsweise lässt sich das Statorfeld der Drehfeldmaschine einfach regelt oder steuern. Man spricht bei diesem Regelungsverfahren auch von der feldorientierten Regelung (= FOR) bzw. feldorientierten Steuerung (= FOS).In order to calculate the PWM the space-time theory is used regularly. They allow a 3-phase system (uvw coordinate system for the phases of the induction machine) to be replaced by an orthogonal, stator-fixed α-β coordinate system, which simplifies the description and thus the control of the system. Through the introduction of the α-β coordinate system, the physical quantities of current and voltage are given a spatial orientation, which is referred to as space vectors. With the help of the now spatial alignment, they can simply summarize the phase quantities, such as the current and the voltage of the respective motor phase by vector addition to a size. The now calculated size can be represented in the α-β coordinate system. With this representation, the stator field of the induction machine can be easily controlled or controlled. This control method is also referred to as field-oriented control (= FOR) or field-oriented control (= FOS).

Bei Verwendung einer Drehfeldmaschine als Traktionsantrieb eines Fahrzeugs kann es insbesondere beim Anfahren am Berg aus dem Stand oder beim Rückwärtsrollen dazu kommen, dass das Statorfeld stillsteht oder zumindest nahezu stillsteht. Dies hat zur Folge, dass über einzelne Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters quasi ein Gleichstrom fließt. Dadurch werden die Leistungshalbleiterschalter im Wechselrichter extrem ungleich thermisch belastet. Dies kann im Extremfall zur Zerstörung der betroffenen stromdurchflossenen Leistungshalbleiterschalter führen und somit zum Ausfall oder zu massiven Störungen des Wechselrichters.When using a rotating field machine as a traction drive of a vehicle, it can happen, especially when starting on the mountain from a standing or when rolling backwards, that the stator field is stationary or at least almost stationary. As a result, a direct current flows via individual power semiconductor switches of the inverter. As a result, the power semiconductor switches in the inverter are extremely unevenly thermally stressed. In the extreme case, this can lead to the destruction of the affected current-carrying semiconductor conductors, and thus to the failure or massive disturbances of the inverter.

Aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der DE 10 2013 212 054 A1 oder der DE 10 2010 061 897 A1 , ist es daher bekannt, den Wechselrichter so zu betreiben, dass das Statorfeld eine Frequenz ungleich Null hat bzw. dass der Raumzeiger zwischen zwei Grenzwerten bewegt wird. Dadurch wird der elektrische Strom auf die Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters verteilt. Die thermische Belastung einzelner Leistungshalbleiterschalter reduziert sich somit signifikant. Jedoch können durch die Schwingung des Raumzeigers die beteiligten Bauteile im System, also beispielsweise im Wechselrichter oder im nachgeschalteten Fahrzeugantriebsstrang, zu Geräuschbildung angeregt werden.From the prior art, such as the DE 10 2013 212 054 A1 or the DE 10 2010 061 897 A1 , It is therefore known to operate the inverter so that the stator field has a frequency not equal to zero or that the space vector is moved between two limits. This distributes the electrical current to the power semiconductor switches of the inverter. The thermal load of individual power semiconductor switches is thus reduced significantly. However, by the vibration of the space hand, the components involved in the system, so for example in the inverter or in the downstream vehicle driveline, be stimulated to noise.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Stand der Technik in dieser Hinsicht zu verbessern.The object of the invention is therefore to improve the state of the art in this regard.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hautpansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This task is solved by the features of the skin spokes. Preferred embodiments are the dependent claims.

Demnach wird ein Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine mittels eines Wechselrichters bei einem Stillstand oder bei einem Anfahren eines Rotors der Drehfeldmaschine vorgeschlagen. Im Rahmen des Verfahrens wird ein Raumzeiger für einen elektrischen Strom oder eine elektrische Spannung zur Erzeugung eines magnetischen Statorfeldes schwingend bewegt, um den über den Wechselrichter dabei fließenden elektrischen Strom über wechselnde Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters zu führen. Dadurch sinkt die thermische Belastung der einzelnen Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters. Hierbei ist vorgesehen, dass die Schwingung des Raumzeigers eine Rauschschwingung ist. Dadurch sinkt die Schwingungsanregung der Bauteile des Systems. Das Geräuschniveau wird dadurch gesenkt.Accordingly, a method for operating a rotating field machine by means of an inverter at a standstill or when starting a rotor of the induction machine is proposed. In the context of the method, a space vector for an electric current or an electric voltage for generating a magnetic stator field is oscillatingly moved in order to guide the electric current flowing through the inverter via alternating power semiconductor switches of the inverter. This reduces the thermal load on the individual power semiconductor switches of the inverter. It is provided that the oscillation of the space vector is a noise oscillation. This reduces the vibration excitation of the components of the system. The noise level is thereby lowered.

Das vorgeschlagene Steuergerät dient zur Betätigung von Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters zum Betreiben einer Drehfeldmaschine. Das Steuergerät verfügt über ein Bestimmungsmodul, ausgeführt um den Raumzeiger für den elektrischen Strom oder die elektrische Spannung zur Erzeugung des magnetischen Statorfeldes der Drehfeldmaschine zu ermitteln. Dies kann beispielsweise auf Grundlage eines dem Steuergerät vorgegeben Soll-Drehmoment, das die Drehfeldmaschine stellen soll, erfolgen. Somit dient der Raumzeiger dann also dazu, das Soll-Drehmoment durch die Drehfeldmaschine bereitzustellen. Das Steuergerät verfügt auch über ein Rauschmodul, ausgeführt um eine Rauschschwingung zu erzeugen. Zudem verfügt es über ein Modulationsmodul, ausgeführt um bei einem Stillstand oder Anfahren eines Rotors der Drehfeldmaschine dem Raumzeiger die Rauschschwingung aufzumodulieren. Das Steuergerät dient insbesondere zur Steuerung oder Regelung des Wechselrichters bzw. der Drehfeldmaschine. Das Steuergerät dient dann insbesondere zur feldorientierten Steuerung oder Regelung der Drehfeldmaschine.The proposed control unit is used for actuating power semiconductor switch of an inverter for operating a rotating field machine. The control unit has a determination module, designed to determine the space vector for the electric current or the voltage for generating the magnetic stator field of the induction machine. This can be done, for example, on the basis of a setpoint torque which is given to the control unit and which is the Rotary field machine to make done. Thus, the space vector is then used to provide the desired torque through the induction machine. The controller also has a noise module designed to generate noise. In addition, it has a modulation module, designed to aufzumodulieren the space vector at a standstill or start-up of a rotor of the induction machine the noise oscillation. The control unit is used in particular for controlling or regulating the inverter or the induction machine. The control unit is then used in particular for field-oriented control or regulation of the induction machine.

Der vorgeschlagene Fahrzeugantriebsstrang verfügt über eine Drehfeldmaschine als Traktionsantrieb oder Stellantrieb und über einen Wechselrichter zum Betreiben der Drehfeldmaschine sowie über das oben erläuterte und vorgeschlagene Steuergerät zur Betätigung der Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters. Die Drehfeldmaschine dient als Traktionsantrieb, also zum Vortrieb des zugehörigen Fahrzeugs, d. h. zum Bereitstellen eines Antriebdrehmoments. Hierzu ist sie beispielsweise mit einem oder mehreren Fahrzeugrädern mechanisch gekoppelt. Die Drehfeldmaschine als Stellantrieb dient zur Aktuierung eines Bauteils des Fahrzeugantriebsstrangs, beispielsweise eines Schaltelements, wie einer Kupplung oder einer Bremse, oder eines anderen zu stellenden Bauteils im Antriebsstrang.The proposed vehicle drive train has an induction machine as a traction drive or actuator and an inverter for operating the induction machine and the above-explained and proposed control unit for actuating the power semiconductor switch of the inverter. The induction machine serves as a traction drive, ie for propulsion of the associated vehicle, d. H. for providing a drive torque. For this purpose, it is mechanically coupled, for example, with one or more vehicle wheels. The induction machine as actuator serves to actuate a component of the vehicle drive train, for example a switching element, such as a clutch or a brake, or another component to be placed in the drive train.

Das vorgeschlagene Konzept sieht also vor, dass die Schwingung des Raumzeigers nicht immer gleich oszillierend ist, d. h. eine feste Frequenz aufweist, sondern in Form eines Rauschens erfolgt. Ein solches Rauschen verfügt über ein breites unspezifisches Frequenzspektrum und ggf. Amplitudenspektrum. Hierdurch kommt es nicht oder deutlich seltener zu einer Anregung von Bauteilen im System, wodurch die Geräuschbildung reduziert ist. Vorzugsweise ist die Schwingung auch so schnell, dass keine spürbaren Drehmomentschwingungen oder dergleichen bei der Drehfeldmaschine auftreten, d. h. die bewegbaren Massen (Rotor etc.) der Drehfeldmaschine die Schwingungen hinreichend stark unterdrücken.The proposed concept therefore provides that the oscillation of the space vector is not always the same, ie. H. has a fixed frequency, but takes place in the form of a noise. Such noise has a wide non-specific frequency spectrum and possibly amplitude spectrum. As a result, it is not or significantly less often to a stimulation of components in the system, whereby the noise is reduced. Preferably, the vibration is so fast that no noticeable torque vibrations or the like occur in the induction machine, d. H. the movable masses (rotor, etc.) of the induction machine suppress the vibrations sufficiently strong.

Der Wechselrichter dient zur Umsetzung eines Gleichstroms von einer Gleichstromquelle, wie beispielsweise einer Batterie, in einen Wechselstrom bzw. quasi Wechselstrom an Phasen der Drehfeldmaschine (Motorbetrieb) und gegebenenfalls zurück (Generatorbetrieb). Hierzu verfügt er über die Leistungshalbleiterschalter, die beispielsweise von einer Treiberschaltung angesteuert werden. Im Wechselrichter sind die Leistungshalbleiterschalter beispielsweise als B6-Brückenschaltung ausgeführt. Durch eine pulsweitenmodulierte Betätigung (An-/Ausschalten) der Leistungshalbleiterschalter kann der Raumzeiger gestellt werden.The inverter is used to convert a direct current from a direct current source, such as a battery, into an alternating current or quasi alternating current at phases of the induction machine (motor operation) and possibly back (generator operation). For this purpose, it has the power semiconductor switches, which are driven, for example, by a driver circuit. In the inverter, the power semiconductor switches are designed, for example, as a B6 bridge circuit. By a pulse width modulated operation (on / off) of the power semiconductor switch, the space pointer can be made.

Das Stellen des Raumzeigers findet insbesondere dann statt, wenn eine Anforderung zur Erzeugung eines Drehmoments, also eines Antriebs- oder Bremsmoment, der Drehfeldmaschine vorliegt. Es wird im Rahmen des Verfahrens dann also insbesondere erkannt, dass ein Drehmoment gestellt werden soll, beispielsweise ein spezifisches Soll-Drehmoment. Der Raumzeiger dient dann also insbesondere, um das angeforderte Drehmoment bzw. Soll-Drehmoment durch die Drehfeldmaschine zu stellen. Es wird im Rahmen des Verfahrens dann insbesondere auch erkannt dass der Rotor gerade stillsteht oder anfährt, sich also zu drehen beginnt. Die Drehfrequenz des Rotors beträgt beim Anfahren insbesondere kleiner 5 Hz, kleiner 1 Hz oder gleich Null (= Stillstand).The placement of the space pointer takes place in particular when there is a request to generate a torque, that is to say a drive or braking torque, of the induction machine. In the context of the method, it is then in particular recognized that a torque is to be set, for example a specific desired torque. The space vector is then used in particular to provide the requested torque or desired torque through the induction machine. In the context of the method, it is then in particular also recognized that the rotor is standing still or is starting to move, that is, it is starting to rotate. The rotational frequency of the rotor during startup is in particular less than 5 Hz, less than 1 Hz or equal to zero (= standstill).

Vorzugsweise ist die Schwingung des Raumzeigers als weißes Rauschen ausgeführt. Hierdurch kann eine Geräuschbildung besonders effektiv unterdrückt werden. Unter weißem Rauschen ist insbesondere ein Rauschen mit einem konstanten Leistungsdichtespektrum in einem bestimmten Frequenzbereich zu verstehen. Der Frequenzbereich ist dann also insbesondere vorgegeben. Er wird beispielsweise experimentell oder analytisch ermittelt.Preferably, the vibration of the space vector is implemented as white noise. As a result, a noise can be suppressed particularly effective. By white noise is meant in particular a noise with a constant power density spectrum in a certain frequency range. The frequency range is then specified in particular. It is determined, for example, experimentally or analytically.

Die Schwingung weist also vorzugsweise eine vorgegebene Schwingungsbreite auf. Somit wird ein Grenzbereich festgelegt, innerhalb dessen sich das Rauschen abspielt. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass man eine obere Grenzfrequenz, die das Rauschen nicht überschreiten darf und ein untere Grenzfrequenz, die das Rauschen nicht unterschreiten darf, vorgibt. Somit können störende Frequenzbereiche ausgeblendet werden. Bevorzugt wird die Schwingungsbreite in dem statorfesten α-β-Koordinatensystem oder in dem rotor- bzw. rotorflussfesten d-q-Koordinatensystem der Drehfeldmaschine vorgegeben. Hierdurch ist keine umständliche Umrechnung der Schwingungsbreite erforderlich, da der Raumzeiger bei Anwendung einer feldorientierten Regelung oder feldorientierten Steuerung, wie sie auch vorliegend bevorzugt eingesetzt wird, normalerweise bereits in dem α-β- bzw. d-q-Koordinatensystem vorgegeben wird.The oscillation thus preferably has a predetermined oscillation width. Thus, a boundary is set, within which the noise takes place. This is done in particular by specifying an upper limit frequency, which must not exceed the noise and a lower limit frequency, which may not be less than the noise. Thus disturbing frequency ranges can be hidden. Preferably, the oscillation width is specified in the stator-fixed α-β coordinate system or in the rotor or rotor flux-fixed d-q coordinate system of the induction machine. As a result, no cumbersome conversion of the oscillation width is required, since the space vector is normally predefined in the α-β or d-q coordinate system when using a field-oriented control or field-oriented control, as is also preferred in the present case.

Vorzugsweise entspricht die Schwingung im zeitlichen Mittel einem geforderten Soll-Raumzeiger für den Strom oder die Spannung zur Erzeugung des magnetischen Statorfeldes. Der Soll-Raumzeiger kann dabei beispielsweise dem geforderten Soll-Drehmoment entsprechen, d. h. zum Bereitstellen des geforderten Soll-Drehmoment durch die Drehfeldmaschine dienen. Die Schwingungsbreite der Schwingung ist darüber hinaus vorzugsweise eine Funktion der Startorgrundfrequenz der Drehfeldmaschine. Sie ist dann also von der Startorgrundfrequenz abhängig, d. h. aus der Startorgrundfrequenz wird die jeweilige Schwingungsbreite ermittelt, beispielsweise errechnet. Als Startorgrundfrequenz ist hier insbesondere die Stator-Strom-Grundfrequenz zu verstehen. Diese kann beispielsweise aus der feldorientierten Regelung entnommen werden oder über eine Messeinrichtung, wie beisplelswelse einer Phasen-Regel-Schleife (PLL = phase locked loop), gemessen werden.The oscillation preferably corresponds in time average to a required setpoint space vector for the current or the voltage for generating the magnetic stator field. The desired room vector can correspond, for example, to the required setpoint torque, ie serve to provide the required setpoint torque by the induction machine. In addition, the oscillation width of the oscillation is preferably a function of the starting fundamental frequency of the induction machine. It is then dependent on the Startor basic frequency, ie from the Startorgrundfrequenz the respective oscillation width is determined calculated, for example. As Startorgrundfrequenz is to be understood in particular the stator current base frequency. This can be taken, for example, from the field-oriented control or via a measuring device, such as beisplelswelse a phase-locked loop (PLL = phase locked loop), are measured.

Vorzugsweise ist einem geforderten Soll-Raumzeiger für den elektrischen Strom oder die elektrische Spannung zur Erzeugung des magnetischen Statorfeldes, insbesondere zum Bereitstellen des geforderten Soll-Drehmoments, ein Rauschsignal aufmoduliert. Dadurch wird die erwähnte Rauschschwingung des Raumzeigers gebildet. Der eigentliche Raumzeiger setzt sich also aus dem Soll-Raumzeiger (zum Stellen des Soll-Drehmoments) und dem aufmodulierten Rauschsignal zusammen. Beispielsweise ist das Rauschsignal additiv oder subtraktiv aufmoduliert.Preferably, a required setpoint space vector for the electric current or the electrical voltage for generating the magnetic stator field, in particular for providing the required setpoint torque, modulates a noise signal. As a result, the mentioned noise oscillation of the space pointer is formed. The actual room pointer is thus composed of the desired room pointer (for setting the desired torque) and the modulated noise signal. For example, the noise signal is modulated additively or subtractively.

Im Folgenden wir die Erfindung von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Die Figuren zeigen jeweils in schematischer Darstellung:In the following, the invention of figures will be explained in more detail, from which further preferred embodiments and features of the invention can be removed. The figures show in schematic representation:

1 ein elektrisches Antriebssystem mit einer Drehfeldmaschine, 1 an electric drive system with a rotating field machine,

2 einen Raumzeiger in einem uvw- und α-β-Koordinatensystem, 2 a space vector in a uvw and α-β coordinate system,

3 einen schwingenden Raumzeiger in einem α-β-Koordinatensystem. 3 an oscillating space vector in an α-β coordinate system.

1 zeigt eine typische Struktur eines als feldorientierte Regelung (FOR) bzw. feldorientierte Steuerung (FOS) ausgeführten Antriebssystems mit einer Drehfeldmaschine 1, beispielsweise eine Synchron- oder Asynchronmaschine Dem Antriebssystem wird ein vorgegebenes Soll-Drehmoment T zugeführt. Dieses Drehmoment T soll durch die Drehfeldmaschine 1 ausgegeben werden, d. h. die Drehfeldmaschine 1 soll dieses Soll-Drehmoment T an ihrer Abtriebswelle abgeben, beispielsweise um ein Fahrzeug oder eine Maschine mit diesem Soll-Drehmoment T anzutreiben. Das Soll-Drehmoment T kann beispielsweise von einem Bediener des Antriebssystems, wie beispielsweise einem Fahrzeugfahrer oder einem Maschinenbediener, vorgegeben werden. Es kann auch von einer übergeordneten Steuerung oder Regelung angefordert werden. 1 shows a typical structure of a field-oriented control (FOR) or field-oriented control (FOS) running drive system with a rotating field machine 1 , For example, a synchronous or asynchronous machine The drive system, a predetermined target torque T is supplied. This torque T is intended by the induction machine 1 are output, ie the induction machine 1 should deliver this target torque T at its output shaft, for example, to drive a vehicle or a machine with this target torque T. The target torque T can be predetermined, for example, by an operator of the drive system, such as a vehicle driver or a machine operator. It can also be requested by a higher-level control or regulation.

Es ist ein Ermittlungsmodul 2 vorgesehen, welches aus dem Soll-Drehmoment T einen dazu korrespondierenden d-Strom und q-Strom i_d, i_g ermittelt. Sofern eine Regelung (FOR) vorliegt, können hierzu Ist-Werte des d-Strom und q-Strom i * / d, i * / q hinzugerechnet werden. Sofern eine Steuerung (FOS) vorliegt, entfällt das Hinzurechnen der Ist-Werte i * / d, i * / q . Der d-Strom und q-Strom i * / d, i * / q bzw. i_d, i_q liegt in einem rotorflussfesten bzw. rotorfesten d-q-Koordinatensystem der Drehfeldmaschine 1 vor. Der d-Strom und q-Strom i * / d, i * / q bzw. i_d, i_q bilden die vektoriellen Anteile eines Stromraumzeigers in einem d-q-Koordinatensystem. Das d-q-Koordinatensystem dreht sich also bezüglich des Stators der Drehfeldmaschine 1, wenn das Statorfeld bzw. der Rotor der Drehfeldmaschine 1 gedreht wird. Es steht bezüglich des Rotors der Drehfeldmaschine 1 bzw. des magnetischen Rotorflusses fest.It is a discovery module 2 provided, which determines from the target torque T a corresponding d-current and q-current i _d , i _g . If a regulation (FOR) is present, actual values of the d-current and q-current can be used for this purpose i * / d, i * / q be added. If there is a control (FOS), the addition of the actual values is no longer necessary i * / d, i * / q , The d-current and q-current i * / d, i * / q or i _d , i _q lies in a rotor flux-fixed or rotor-fixed dq coordinate system of the induction machine 1 in front. The d-current and q-current i * / d, i * / q or i _d , i _q form the vectorial components of a current space vector in a dq coordinate system. The dq coordinate system thus rotates with respect to the stator of the induction machine 1 when the stator field or the rotor of the induction machine 1 is turned. It stands with respect to the rotor of the induction machine 1 or the magnetic rotor flux.

Die Ströme i_d, i_q werden einem Regelungs- bzw. Steuerungsmodul 3 für die feldorientierte Regelung bzw. Steuerung der Drehfeldmaschine 1 zugeführt. Dieser ermittelt daraus die entkoppelten Ströme i_α, i_β in einem statorfesten α-β-Koordinatensystem und führt sie einem PWM-Generator 4 zu (PWM = Pulsweitenmodulation, pulsweitenmoduliert). Dieser erzeugt aus den Strömen i_α, i_β die PWM-Signale PWM1, PWM2, PWM3 zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Wechselrichters 5. Der α-Strom i_α und der β-Strom i_β bilden die vektoriellen Anteile eines Stromraumzeigers in dem α-β-Koordinatensystem. Das α-β-Koordinatensystem steht also fest bezüglich des Stators der Drehfeldmaschine 1.The currents i _d , i _q become a control module 3 for the field-oriented control or control of the induction machine 1 fed. From this, it determines the decoupled currents i _α , i _β in a stator-fixed α-β coordinate system and feeds them to a PWM generator 4 to (PWM = pulse width modulation, pulse width modulated). This generates from the currents i _α , i _β, the PWM signals PWM1, PWM2, PWM3 for the pulse width modulated control of power semiconductors of an inverter 5 , The α-current i _α and the β-current i _β form the vectorial components of a current space vector in the α-β coordinate system. The α-β coordinate system is thus fixed with respect to the stator of the induction machine 1 ,

Entsprechend der Ströme i_α, i_β bzw. i_d, i_q wird dadurch der Wechselrichter 5 durch die die PWM-Signale PWM1, PWM2, PWM3 betätigt. Im Detail werden die Leistungshalbleiterschalter in dem Wechselrichter 5 betätigt (an- und abgeschaltet), damit sich die geforderten Ströme i_d, i_q bzw. i_α, i_β einstellen. Der Wechselrichter 5 ist eingangsseitig mit einer Gleichstromquelle, wie beispielsweise einer Batterie oder einem Gleichstromgenerator, gekoppelt und bezieht bei einem Motorbetrieb hieraus elektrische Energie zum Betreiben der Drehfeldmaschine 1. Ausgangsseitig ist der Wechselrichter 5 mit den Phasen U, V, W der Drehfeldmaschine 1 gekoppelt und führt hierüber die Phasenströme i_u, i_v, i_w, die sich aus den PWM-Signalen PWM1, PWM2, PWM3 ergeben. Bei einem Generatorbetrieb ist auch elektrische Energie von der Drehfeldmaschine 1 über den Wechselrichter 5 zur Gleichstromquelle zurückführbar.According to the currents i _α , i _β and i _d , i _q thereby becomes the inverter 5 by which the PWM signals PWM1, PWM2, PWM3 are operated. In detail, the power semiconductor switches in the inverter 5 actuated (switched on and off), so that the required currents i _d , i _q or i _α , i _β set. The inverter 5 is coupled on the input side with a DC power source, such as a battery or a DC generator, and draws therefrom in an engine operation of electrical energy for operating the induction machine 1 , The output side is the inverter 5 with the phases U, V, W of the induction machine 1 coupled and leads hereby the phase currents i _u , i _v , i _w , which result from the PWM signals PWM1, PWM2, PWM3. In a generator operation is also electrical energy from the induction machine 1 over the inverter 5 traceable to the DC power source.

Die Module 2, 3, 4 können insbesondere in einem Steuergerät 6 (gestrichelter Rahmen) räumlich gemeinsam untergebracht sein, beispielsweise in Form einer integrierten Schaltung. Das Steuergerät 6 kann beispielsweise von dem Wechselrichter 5 räumlich getrennt sein. Das Steuergerät 6 kann auch auf dem Wechselrichter 5 aufgesetzt sein, d. h. daran angeordnet oder darin integriert sein. So können sich das Steuergerät 6 und der Wechselrichter 5 einfach einen gemeinsamen Kühlkreislauf teilen. Das Steuergerät 6 dient also zur Betätigung der Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 5.The modules 2 . 3 . 4 especially in a control unit 6 (Dashed frame) spatially be housed together, for example in the form of an integrated circuit. The control unit 6 For example, from the inverter 5 be physically separated. The control unit 6 can also be on the inverter 5 be placed on, that is arranged or integrated therein. So can the controller 6 and the inverter 5 just share a common cooling circuit. The control unit 6 So serves to actuate the power semiconductor switch of the inverter 5 ,

Probleme können sich, wie eingangs erläutert, dann ergeben, wenn einerseits die Drehfeldmaschine 1 ein Soll-Drehmoment zur Verfügung stellen soll und andererseits der Rotor oder das durch die Phasenströme i_u, i_v, i_w erzeugte Statorfeld bzw. ein zugehöriger Strom- oder Spannungsraumzeiger stillsteht oder zumindest nahezu stillsteht. Dies hat dann zur Folge, dass die Phasenströme i_u, i_v, i_w quasi Gleichströme sind und somit über einzelne Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 5 fließen. Hierdurch werden diese Leistungshalbleiterschalter im Wechselrichter 5 extrem ungleich thermisch belastet. Problems can, as explained above, then arise when, on the one hand, the induction machine 1 On the other hand, the rotor or the stator field generated by the phase currents i _u , i _v , i _w or an associated current or voltage space vector is stationary or at least nearly stationary. This has the consequence that the phase currents i _u , i _v , i _{w are} quasi DC currents and thus via individual power semiconductor switches of the inverter 5 flow. As a result, these power semiconductor switches in the inverter 5 are extremely unevenly thermally stressed.

Gelöst wird dieses Problem vorliegend dadurch, dass der Raumzeiger, der sich aus den Strömen i_u, i_v, i_w bzw. i_α, i_β bzw. i_d, i_q ergibt (letztlich handelt es sich immer um denselben Raumzeiger in unterschiedlichen Koordinatensystemen der Drehfeldmaschine 1, wie in 2 beispielhaft gezeigt), schwingend bewegt wird. Dadurch werden die Phasenströme i_u, i_v, i_w über wechselnde Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 5 geführt. Um Anregungen durch diese Schwingung zu vermeiden, ist dabei die Schwingung des Raumzeigers als eine Rauschschwingung ausgeführt, bevorzugt als weißes Rauschen.This problem is solved in this case by the fact that the space vector, which results from the currents i _u , i _v , i _w or i _α , i _β and i _d , i _q (ultimately always the same space vector in different Coordinate systems of the rotary field machine 1 , as in 2 shown by way of example) is oscillated. As a result, the phase currents i _u , i _v , i _w via changing power semiconductor switches of the inverter 5 guided. In order to avoid suggestions by this vibration, while the vibration of the space vector is designed as a noise, preferably as white noise.

2 zeigt beispielhaft einen Strom- oder Spannungsraumzeiger 204, 205 zur Erzeugung eines magnetischen Statorfeldes in der Drehfeldmaschine 1 und damit eines Drehmoments durch die Drehfeldmaschine 1. Der Raumzeiger liegt zum einen in einem uvw-Koordinatensystem vor (linke Seite von 2), dann weist er das Bezugszeichen 204 auf, und in einem α-β-Koordinatensystem (rechte Seite von 2), dann weist er das Bezugszeichen 205 auf. 2 shows an example of a current or voltage space pointer 204 . 205 for generating a magnetic stator field in the induction machine 1 and thus a torque through the induction machine 1 , The space vector is on the one hand in a uvw coordinate system before (left side of 2 ), then it has the reference number 204 on, and in an α-β coordinate system (right side of 2 ), then it has the reference number 205 on.

Im uvw-Koordinatensystem fließt je einer der Ströme i_u, i_v, i_w durch die jeweilige Phase U, V, W, der Drehfeldmaschine 1. Sie spannen gemeinsam den Raumzeiger 204 in dem uvw-Koordinatensystem auf, d. h. durch Vektoraddition der Ströme i_u, i_v, i_w, i_w ergibt sich hieraus der Raumzeiger 204.In the uvw coordinate system, one of the currents i _u , i _v , i _{w flows} through the respective phase U, V, W of the induction machine 1 , They clamp together the space hand 204 in the uvw coordinate system, ie by vector addition of the currents i _u , i _v , i _w , i _w , this results in the space vector 204 ,

Der Raumzeiger 204 kann einfach aus dem uvw-Koordinatensystem in das α-β-Koordinatensystem übertragen werden, wo er das Bezugszeichen 205 aufweist. Entsprechend kann er auch einfach aus dem α-β-Koordinatensystem in das uvw-Koordinatensystem übertragen werden. Im α-β-Koordinatensystem wird der Raumzeiger 205 durch die Ströme i_α, i_β aufgespannt, d. h. durch Vektoraddition der Ströme i_α, i_β ergibt sich hieraus der Raumzeiger 205. Daher können durch das in 1 gezeigte System bzw. Steuergerät 6 einfach aus den Strömen i_α, i_β die erforderlichen Phasenströme i_u, i_v, i_w ermittelt werden.The space pointer 204 can be simply transferred from the uvw coordinate system to the a-β coordinate system, where it is the reference numeral 205 having. Accordingly, it can also be simply transferred from the α-β coordinate system to the uvw coordinate system. In the α-β coordinate system, the space vector becomes 205 spanned by the currents i _α , i _β , ie by vector addition of the currents i _α , i _β results from the space vector 205 , Therefore, through the in 1 shown system or control unit 6 the required phase currents i _u , i _v , i _{w are} determined simply from the currents i _α , i _β .

In 3 ist ein Strom-/Spannungsraumzeiger 301 im α-β-Koordinatensystem dargestellt. Dieser wird dazu genutzt, damit die Drehfeldmaschine 1 ein gefordertes Soll-Drehmoment bereitstellt. Der Raumzeiger 301 kann daher auch als Soll-Raumzeiger (für das Soll-Drehmoment) bezeichnet werden. Die Ermittlung des Raumzeigers 301 erfolgt bevorzugt in einem Bestimmungsmodul des in 1 gezeigten Steuergeräts 6. Der Raumzeiger 301 würde zur Bereitstellung des Soll-Drehmoments feststehen, d. h. sich nicht drehen. Dies liegt beispielsweise daran, dass sich der Rotor der Drehfeldmaschine 1 noch nicht dreht, insbesondere weil er blockiert ist oder weil er sich gerade erst zu drehen beginnt (Drehfeldmaschine fährt an). Dann würden sich, wie oben erläutert, quasi Gleichströme in einzelnen Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 5 ergeben.In 3 is a current / voltage space pointer 301 represented in the α-β coordinate system. This is used to enable the induction machine 1 provides a required setpoint torque. The space pointer 301 can therefore also be referred to as the desired room pointer (for the setpoint torque). The determination of the space pointer 301 is preferably carried out in a determination module of in 1 shown control unit 6 , The space pointer 301 would be fixed to provide the desired torque, ie not turn. This is due, for example, to the fact that the rotor of the induction machine 1 not yet turning, especially because he is blocked or because he just starts to turn (induction machine starts). Then, as explained above, quasi DC currents in individual power semiconductor switch of the inverter 5 result.

Es ist daher vorgesehen, dass der tatsächlich gestellte Raumzeiger schwingend bewegt wird, also um den eigentlich gewünschten Soll-Raumzeiger 301 herum hin- und herbewegt wird. Die Schwingung ist als Rauschen ausgeführt und weist eine vorgegebene Schwingungsbreite 302 auf. Diese wird insbesondere in dem statorfesten α-β-Koordinatensystem der Drehfeldmaschine 1 vorgegeben. Im zeitlichen Mittel entspricht die Schwingung, d. h. der tatsächlich gestellte Raumzeiger, dem geforderten Soll-Raumzeiger 301. Die Schwingungsbreite 302 ist eine Funktion der Startorgrundfrequenz der Drehfeldmaschine 1, d. h. sie wird hieraus ermittelt.It is therefore provided that the actually asked space vector is moved oscillatingly, that is, around the actual desired space vector 301 around is moved around. The vibration is carried out as noise and has a predetermined oscillation width 302 on. This is particularly in the stator fixed α-β coordinate system of the induction machine 1 specified. In terms of time, the oscillation, ie the actual room pointer, corresponds to the required set room pointer 301 , The oscillation width 302 is a function of the starting fundamental frequency of the rotary field machine 1 ie it is determined from this.

Die Schwingung wird dadurch erreicht, dass dem eigentlich gewünschten Soll-Raumzeiger 301 eine Rauschschwingung überlagert wird, also aufmoduliert wird. Die Rauschschwingung wird insbesondere in einem Rauschmodul des Steuergeräts 6 anhand der Schwingungsbreite 302 erzeugt. Anschließend wird diese in einem Modulationsmodul des Steuergeräts 6 dem Soll-Raumzeiger 301 aufmoduliert.The oscillation is achieved in that the actually desired target space vector 301 a noise oscillation is superimposed, that is aufmoduliert. The noise oscillation is in particular in a noise module of the controller 6 based on the oscillation width 302 generated. Subsequently, this is in a modulation module of the control unit 6 the desired room pointer 301 modulated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: DrehfeldmaschineInduction machine
22: Ermittlungsmoduldetermination module
33: Regelungsmodul, SteuerungsmodulControl module, control module
44: PWM-GeneratorPWM generator
55: Wechselrichterinverter
66: Steuergerätcontrol unit
204204: Strom- oder Spannungsraumzeiger in einem uvw-KoordinatensystemCurrent or voltage space vector in a uvw coordinate system
205, 301205, 301: Strom- oder Spannungsraumzeiger in einem α-β-KoordinatensystemCurrent or voltage space vector in an α-β coordinate system
302302: Schwingungsbreitevibration width
ii: elektrischer Stromelectrical current
i_d, i * / di _d , i * / d: Stromanteil in d-Richtung eines d-q-Koordinatensystems (= d-Strom)Current component in d-direction of a d-q-coordinate system (= d-current)
i_q, i * / qi _q , i * / q: Stromanteil in q-Richtung eines d-q-Koordinatensystems (= q-Strom)Current component in q-direction of a d-q-coordinate system (= q-current)
i_α i _α: Stromanteil in α-Richtung eines α-β-Koordinatensystems (= α-Strom)Current component in α-direction of an α-β-coordinate system (= α-current)
i_β i _β: Stromanteil in β-Richtung eines α-β-Koordinatensystems (= β-Strom)Current component in the β-direction of an α-β-coordinate system (= β-current)
i_u i _u: Stromanteil in u-Richtung eines uvw-Koordinatensystems (= u-Strom)Current component in the u direction of a uvw coordinate system (= u current)
i_v i _v: Stromanteil in v-Richtung eines uvw-Koordinatensystems (= v-Strom)Current component in the v-direction of a uvw coordinate system (= v-current)
i_w i _w: Stromanteil in w-Richtung eines uvw-Koordinatensystems (= w-Strom)Current component in w-direction of a uvw coordinate system (= w-current)
PWM1PWM1: PWM-SignalPWM signal
PWM2PWM 2: PWM-SignalPWM signal
PWM3PWM3: PWM-SignalPWM signal
U, V, WAND MANY MORE: Phasephase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102013212054 A1 [0005] DE 102013212054 A1 [0005]
DE 102010061897 A1 [0005] DE 102010061897 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine (1) mittels eines Wechselrichters (5) bei einem Stillstand oder Anfahren eines Rotors der Drehfeldmaschine (1), wobei ein Raumzeiger (204, 205, 301) für einen elektrischen Strom (i_α, i_β; i_d, i_q) oder eine elektrische Spannung zur Erzeugung eines magnetischen Statorfeldes schwingend bewegt wird, um den über den Wechselrichter (5) dabei fließenden elektrischen Strom (i_u, i_v, i_w) über wechselnde Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters (5) zu führen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung des Raumzeigers (204, 205, 301) eine Rauschschwingung ist.Method for operating a rotary field machine ( 1 ) by means of an inverter ( 5 ) at a standstill or starting a rotor of the induction machine ( 1 ), where a space pointer ( 204 . 205 . 301 ) for an electric current (i _α , i _β ; i _d , i _q ) or an electric voltage for generating a magnetic stator field is vibrated in order to pass through the inverter ( 5 ) thereby flowing electric current (i _u , i _v , i _w ) via alternating power semiconductor switch of the inverter ( 5 ), characterized in that the oscillation of the space vector ( 204 . 205 . 301 ) is a noise vibration.

Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schwingung als weißes Rauschen ausgeführt ist.The method of claim 1, wherein the vibration is implemented as white noise.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schwingung eine vorgegebene Schwingungsbreite (302) aufweist.Method according to claim 1 or 2, wherein the oscillation has a predetermined oscillation width ( 302 ) having.

Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schwingungsbreite (302) in einem statorfesten α-β-Koordinatensystem oder in einem rotor- oder rotorflussfesten d-q-Koordinatensystem der Drehfeldmaschine (1) vorgegeben wird.Method according to claim 3, wherein the oscillation width ( 302 ) in a stator-fixed α-β coordinate system or in a rotor or rotor flux-proof dq coordinate system of the induction machine ( 1 ) is given.

Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Schwingung im zeitlichen Mittel eine geforderte Soll-Raumzeiger (204, 205, 301) für den elektrischen Strom (i_α, i_β; i_d, i_q) oder die elektrische Spannung zur Erzeugung des magnetischen Statorfeldes ist.A method according to claim 3 or 4, wherein the oscillation in the time average a required desired space pointer ( 204 . 205 . 301 ) for the electric current (i _α , i _β ; i _d , i _q ) or the electric voltage for generating the magnetic stator field.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Schwingungsbreite (302) der Schwingung eine Funktion der Startorgrundfrequenz der Drehfeldmaschine (1) ist.Method according to one of claims 3 to 5, wherein the oscillation width ( 302 ) of the vibration is a function of the starting fundamental frequency of the induction machine ( 1 ).

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einem geforderten Soll-Raumzeiger (204, 205, 301) für den elektrischen Strom (i_α, i_β; i_d, i_q) oder die elektrische Spannung zur Erzeugung des magnetischen Statorfeldes ein Rauschsignal aufmoduliert wird und dadurch die Rauschschwingung des Raumzeigers (204, 205, 301) gebildet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a required desired space vector ( 204 . 205 . 301 ) for the electric current (i _α , i _β ; i _d , i _q ) or the electric voltage for generating the magnetic stator field, a noise signal is modulated and thereby the noise oscillation of the space vector ( 204 . 205 . 301 ) is formed.

Steuergerät (6) zur Betätigung von Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters (5) für eine Drehfeldmaschine (1), mit einem Bestimmungsmodul, um einen Raumzeiger (204, 205, 301) für den elektrischen Strom (i_α, i_β; i_d, i_q) oder die elektrische Spannung zur Erzeugung des magnetischen Statorfeldes der Drehfeldmaschine (1) zu ermitteln, gekennzeichnet durch, ein Rauschmodul, um eine Rauschschwingung zu erzeugen, und ein Modulationsmodul, um bei einem Stillstand oder Anfahren eines Rotors der Drehfeldmaschine (1) dem Raumzeiger (204, 205, 301) die Rauschschwingung aufzumodulieren.Control unit ( 6 ) for actuating power semiconductor switches of an inverter ( 5 ) for an induction machine ( 1 ), with a determination module to create a space pointer ( 204 . 205 . 301 ) for the electric current (i _α , i _β ; i _d , i _q ) or the electric voltage for generating the magnetic stator field of the induction machine ( 1 ), characterized by a noise module for generating a noise oscillation, and a modulation module for detecting at a standstill or start-up of a rotor of the induction machine ( 1 ) the space hand ( 204 . 205 . 301 ) to modulate the noise oscillation.

Fahrzeugantriebsstrang mit einer Drehfeldmaschine (1) als Traktionsantrieb oder Stellantrieb und mit einem Wechselrichter (5) zum Betreiben der Drehfeldmaschine (1) sowie mit einem Steuergerät (6) zur Betätigung von Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (6) gemäß Anspruch 8 ausgeführt ist.Vehicle drive train with a rotating field machine ( 1 ) as a traction drive or actuator and with an inverter ( 5 ) for operating the induction machine ( 1 ) as well as with a control unit ( 6 ) for actuating power semiconductor switch of the inverter ( 5 ), characterized in that the control unit ( 6 ) is executed according to claim 8.