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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Treiberschaltkreises für einen Elektromotor, einen zugehörigen Treiberschaltkreis, eine zugehörige Motoranordnung sowie ein zugehöriges Speichermedium.
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Treiberschaltkreise werden häufig eingesetzt, um Elektromotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren mit elektrischer Energie zu versorgen und zu steuern. Derartige Elektromotoren können beispielsweise in Bremssystemen eingesetzt werden und können deshalb auch sicherheitsrelevant sein. Bei bekannten Ausführungen ist es üblich, einen oder mehrere Abschaltpfade vorzusehen, wobei derartige Abschaltpfade typischerweise zwischen einem Leistungskonverter und dem Elektromotor oder zwischen dem Elektromotor und einem Masseanschluss angeordnet sind. Dies bedingt typischerweise, dass derartige Abschaltpfade teuer sind und dass bei Aktivierung eines Abschaltpfads ein Weiterbetrieb des Elektromotors typischerweise nicht möglich ist.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Treiberschaltkreises für einen Elektromotor vorzusehen, welches diesbezüglich alternativ oder besser ausgeführt ist. Es sind des Weiteren Aufgaben der Erfindung, einen zugehörigen Treiberschaltkreis, eine zugehörige Motoranordnung sowie ein zugehöriges Speichermedium bereitzustellen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, einen Treiberschaltkreis, eine Motoranordnung und ein Speichermedium gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Treiberschaltkreises für einen Elektromotor. Der Treiberschaltkreis weist eine Mehrzahl von Phasen auf, welchen jeweils ein Paar von Schaltern zugeordnet sind, nämlich ein erster Schalter und ein zweiter Schalter. Diese sind mit der jeweiligen Phase verbunden.
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Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- - Betreiben des Treiberschaltkreises unter Verwendung einer Mehrzahl von Steuerungsvektoren, wobei jeder Steuerungsvektor eine Mehrzahl von binären Einträgen hat, und zwar derart, dass jeder Eintrag zu einem gewünschten Zustand von einem der Schalter korrespondiert,
- - Detektieren eines Fehlerzustands, und
- - ansprechend auf das Detektieren des Fehlerzustands Modifizieren mindestens eines Teils der Steuerungsvektoren und Betreiben des Treiberschaltkreises unter Verwendung der modifizierten Steuerungsvektoren.
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Das Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass durch eine geeignete Anpassung von Steuerungsvektoren beim Erkennen diverser Fehlerzustände ein Weiterbetrieb des Elektromotors möglich ist, wodurch eine Komplettabschaltung verhindert werden kann. Auf technisch aufwändige Abschaltpfade im Hochstrombereich kann vorteilhaft verzichtet werden.
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Das Verfahren kann insbesondere dafür vorgesehen oder geeignet sein, mit dem angegebenen Treiberschaltkreis ausgeführt zu werden.
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Ein jeweiliger Steuerungsvektor kann beispielsweise als Abfolge von Nullen und Einsen implementiert sein, wobei jeder Eintrag des Steuerungsvektors einem der Schalter zugeordnet ist. Eine Null kann dabei beispielsweise bedeuten, dass der jeweilige Schalter geöffnet, also nichtleitend sein soll. Eine Eins kann beispielsweise bedeuten, dass der jeweilige Schalter geschlossen, also leitend sein soll. Es sei verstanden, dass die Steuerungsvektoren auch anders implementiert sein können, wobei sie grundsätzlich den gewünschten Zustand der jeweiligen Schalter angeben. Da jeder Phase zwei Schalter zugeordnet sind, hat ein Steuerungsvektor typischerweise doppelt so viele Einträge wie der Treiberschaltkreis Phasen hat.
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Bevorzugt hat der Treiberschaltkreis fünf Phasen oder mehr als fünf Phasen. Bei einer derartigen Ausführung hat sich die Verwendung des vorliegenden Verfahrens als besonders vorteilhaft herausgestellt, da bei einer entsprechend hohen Anzahl eine Kompensation von Fehlerzuständen durch Änderung der Steuerungsvektoren besonders gut möglich ist.
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Bevorzugt korrespondiert jeder Steuerungsvektor zu einer bestimmten Rotorposition des Elektromotors. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass ein sich in dem Elektromotor drehender Rotor unterschiedliche Rotorpositionen, also Drehpositionen, annehmen kann, und zum Erreichen jeder dieser Rotorpositionen und/oder nach Erreichen einer solchen Rotorposition ein jeweiliger Steuerungsvektor vorgesehen ist.
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Die Steuerungsvektoren können insbesondere in einer vorgegebenen Reihenfolge wiederkehrend angewendet werden. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die vorgegebenen Steuerungsvektoren eine vorbestimmte Ordnung haben, welche nacheinander verwendet werden, wobei ein vollständiger Durchlauf durch alle Steuerungsvektoren beispielsweise einer vollständigen Umdrehung eines Rotors des Elektromotors entsprechen kann. Wenn der letzte Steuerungsvektor in dieser Reihenfolge erreicht ist, kann beispielsweise wieder beim ersten Steuerungsvektor angefangen werden.
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Jeder Steuerungsvektor kann insbesondere derart definiert sein, dass höchstens ein Schalter jedes Paars aktiviert ist. Dadurch wird ein ansonsten entstehender bzw. möglicher Kurzschluss verhindert.
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Gemäß einer möglichen Ausführung ist zumindest ein Fehlerzustand ein immer angeschalteter Zustand von einem der Schalter. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn ein solcher Schalter durchgebrannt ist und er sich deshalb nicht mehr ausschalten lässt.
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Ansprechend auf ein Detektieren eines Fehlerzustands, welcher ein immer angeschalteter Zustand von einem der Schalter ist, können die Steuerungsvektoren beispielsweise derart modifiziert werden, dass der andere Schalter des Paars von Schaltern, zu welchem der Schalter mit dem immer angeschalteten Zustand gehört, deaktiviert wird. Dadurch wird das Entstehen eines Kurzschlusses oder eine sonstige Überlastung verhindert.
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Die Steuerungsvektoren können ferner gemäß einem vorbestimmten Schema abhängig von dem Schalter, welcher einen immer angeschalteten Zustand hat, modifiziert werden. Derartige Modifikationen können beispielsweise vorab eingespeichert sein und können so optimiert werden, dass ein Weiterbetrieb des Elektromotors möglichst vorteilhaft möglich ist. Hierzu können beispielsweise bei einzelnen Steuerungsvektoren auch jeweilige Schalter eingeschaltet oder ausgeschaltet werden, welche ohne den erkannten Fehlerzustand anders geschaltet wären. Dadurch kann der Betrieb des Elektromotors insgesamt verbessert werden.
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Bezüglich einer beispielhaften konkreten Implementierung sei auf die weiter unten gegebene Beschreibung verwiesen.
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Gemäß einer möglichen Ausführung kann ein Fehlerzustand ein Kurzschluss zwischen zwei der Phasen sein. Auch dies stellt einen möglichen Fehlerzustand dar.
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Ansprechend auf ein Detektieren eines Fehlerzustands, welcher ein Kurzschluss zwischen zwei der Phasen ist, können die Steuerungsvektoren gemäß einem vorbestimmten Schema abhängig von den spezifischen Phasen, zwischen welchen ein Kurzschluss existiert, modifiziert werden. Dies erlaubt einen Weiterbetrieb des Elektromotors mit modifizierten Steuerungsvektoren und verhindert, dass aufgrund des Fehlerzustands weitere Schäden oder sonstige Probleme auftreten.
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Die Schalter können insbesondere Transistoren sein. Dies hat sich für typische Anwendungen bewährt. Auch die Verwendung anderer Schalter wie beispielsweise Relais ist jedoch möglich.
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Der elektrische Motor kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) oder ein permanentmagneterregter Synchronmotor (PMS-Motor) sein. Derartige Motoren haben sich für typische Anwendungen beispielsweise in Bremssystemen als vorteilhaft erwiesen, und die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für derartige Motoren hat sich ebenfalls als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Treiberschaltkreis für einen Elektromotor. Der Treiberschaltkreis weist eine Mehrzahl von Phasen auf, welchen jeweils ein Paar von Schaltern zugeordnet ist, nämlich ein erster Schalter und ein zweiter Schalter, welche beide mit der jeweiligen Phase verbunden sind. Ferner weist der Treiberschaltkreis ein Steuerungsgerät auf, welches konfiguriert ist, ein Verfahren wie hierin beschrieben auszuführen. Bezüglich des Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
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Mittels eines solchen Treiberschaltkreises können alle weiter oben bereits beschriebenen Vorteile erreicht werden.
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Insbesondere kann bei dem Treiberschaltkreis auf einen zusätzlichen Abschaltpfad im Hochstrom- bzw. Hochvoltbereich verzichtet werden. Dies spart Kosten. Außerdem kann ein Weiterbetrieb des Elektromotors auch bei einem Fehler gewährleistet werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Motoranordnung. Die Motoranordnung weist einen Elektromotor und einen Treiberschaltkreis wie hierin beschrieben auf. Bezüglich des Treiberschaltkreises kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
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Bei der Motoranordnung kann insbesondere ein Leistungskonverter vorgesehen sein, welcher basierend auf Ansteuerungssignalen im Niedervoltbereich die tatsächliche Leistungsversorgung des Elektromotors übernimmt. Dieser kann als Teil des Treiberschaltkreises betrachtet werden oder auch als separates Element betrachtet werden. Bei der erfindungsgemäßen Motoranordnung kann insbesondere auf einen Abschaltpfad wie beispielsweise ein Relais oder einen Transistor im Hochvoltbereich, also zwischen Leistungskonverter und Motor oder nach dem Motor, verzichtet werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium, welches Programmcode enthält, bei dessen Ausführung ein Prozessor ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt. Bezüglich des Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
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Allgemein gesagt wird eine neue fehlertolerante rekonfigurierbare Architektur vorgeschlagen. Hierzu kann insbesondere schon bei Beginn eine höhere Anzahl von Steuerungsvektoren als ansonsten notwendig verwendet werden, wobei vorzugsweise auch eine höhere Anzahl von beispielsweise fünf Phasen verwendet werden kann. Zusätzlich können abhängig von dem auftretenden Fehler spezifische sektorbasierte Vektormodifikationen verwendet werden, um die betroffenen Vektoren zu kompensieren und zumindest eine gewisse Hilfestellung zu geben. Somit kann ein Fehler, welcher im System auftritt, nur noch auf die Leistung Einfluss haben, jedoch wird ein Weiterbetrieb des Elektromotors ermöglicht.
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Beispielsweise kann eine Raumzeigermodulation verwendet werden, welche ideale Ergebnisse liefert.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann den nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Dabei zeigen:
- 1: eine Motoranordnung gemäß dem Stand der Technik,
- 2: eine weitere Motoranordnung gemäß dem Stand der Technik,
- 3: eine Motoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4: einen Treiberschaltkreis mit Steuerungsvektoren, und
- 5: einen Treiberschaltkreis mit weiteren Steuerungsvektoren.
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1 zeigt rein schematisch eine Motoranordnung 5 gemäß dem Stand der Technik. Die Motoranordnung 5 weist einen Treiberschaltkreis 10 auf. Sie weist ferner einen Elektromotor 20 auf. Der Treiberschaltkreis 10 ist dazu ausgebildet, den Elektromotor 20 zu steuern.
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Zwischen Treiberschaltkreis 10 und Elektromotor 20 ist ein Leistungskonverter 40 angeordnet. Dieser versorgt den Elektromotor 20 in kontrollierter Weise mit elektrischer Leistung, und zwar basierend auf Signalen vom Treiberschaltkreis 10.
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Zur Reaktion auf mögliche Fehlersituationen sind ein erster Abschaltpfad 30 und ein zweiter Abschaltpfad 35 vorhanden. Der erste Abschaltpfad 30 ist dabei noch vor dem Leistungskonverter 40 angeordnet, also im Niedervoltbereich. Der zweite Abschaltpfad 35 ist nach dem Leistungskonverter 40 angeordnet, also im Hochvoltbereich. Dementsprechend ist er teuer auszuführen, da er für hohe Ströme und/oder Spannungen ausgelegt sein muss.
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Wird einer der beiden Abschaltpfade 30, 35 aktiviert, so führt dies dazu, dass typischerweise der Elektromotor 20 nicht mehr weiterverwendet werden kann.
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2 zeigt eine alternative Anordnung gemäß dem Stand der Technik, wobei der zweite Abschaltpfad 35 im Unterschied zur Ausführung von 1 noch vor dem Elektromotor 20 angeordnet ist. Auch dabei sind die mit Bezug auf 1 beschriebenen Nachteile relevant.
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3 zeigt eine Ausführung einer Motoranordnung 5 rein schematisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind die beiden Abschaltpfade 30, 35 beide vor dem Leistungskonverter 40 angeordnet, d.h. sie sind beide im Niedervoltbereich angeordnet. Auf eine besonders teure Ausführung kann somit verzichtet werden. Die Implementierung der beiden Abschaltpfade 30, 35 kann beispielsweise durch Modifikation von Steuerungsvektoren wie nachfolgend beschrieben erfolgen. Es kann hierbei auch von einem einzigen Abschaltpfad gesprochen werden.
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4 zeigt einen Treiberschaltkreis 10 mit zugehörigen Steuerungsvektoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Auf die einzelnen Komponenten wird hier nicht näher eingegangen, da sie sich aus dem gezeigten Schaltplan ergeben und im Übrigen bekannt sind. Der gezeigte Treiberschaltkreis hat insgesamt fünf Phasen, welche mit U, V, W, X, Y bezeichnet sind. Insgesamt ergeben sich dadurch zehn Sektoren, welche mit I bis X bezeichnet sind. An jeder der Phasen U, V, W, X, Y sind zwei nicht gezeigte Schalter angeschlossen, welche jeweils ein Paar bilden, also jeweils ein erster Schalter und ein zweiter Schalter. Diese sind mit einem anzusteuernden Elektromotor bzw. einem dazwischengeschalteten Leistungskonverter verbunden.
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Um den gezeigten Treiberschaltkreis 10 herum sind insgesamt zehn Dreiergruppen von Steuerungsvektoren angeordnet, welche jeweiligen Rotorpositionen entlang einer vollständigen Umdrehung entsprechen. Jeweils oben in der Dreiergruppe ist dabei ein Steuerungsvektor gezeigt, welcher in einer normalen Funktion verwendet wird. Jeder Steuerungsvektor hat insgesamt zehn Einträge, wobei jeder Eintrag einem der erwähnten zehn Schalter zugeordnet ist. Hat der Eintrag eine Eins, so soll der jeweilige Schalter geschlossen, also leitend sein. Hat der jeweilige Eintrag eine Null, so soll der jeweilige Schalter offen, also nichtleitend sein. Einträge, welche einem Paar von Schaltern zugeordnet sind, sind paarweise gruppiert dargestellt.
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Durch die sukzessive Anwendung der Steuerungsvektoren, welche hier kreisförmig angeordnet sind, kann der Elektromotor gesteuert werden und der Rotor kann in eine Rotation versetzt werden. Ist die Steuerung beim letzten Steuerungsvektor angelangt, so wird wieder der erste verwendet.
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Der jeweils in der Dreiergruppe mittlere Steuerungsvektor gibt an, wie sich die Steuerung verändern würde, wenn der vom ganz links befindlichen Eintrag gesteuerte Schalter aufgrund einer Fehlfunktion einen immer leitenden Zustand einnehmen würde. Der entsprechende ganz links stehende Eintrag ist somit immer Eins (durch Pfeil 200 markiert) . Bei Steuerungsvektoren, bei welchen der von links aus gesehen zweite Eintrag auch eine Eins ist (durch Pfeil 210 markiert), bei welcher also beide Schalter eines Paars einen leitenden Zustand annehmen würden, würde ein Kurzschluss oder eine andere weitergehende und möglicherweise gefährliche Fehlfunktion auftreten.
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Die jeweils unterste Zeile in jeder Dreiergruppe zeigt einen jeweiligen Steuerungsvektor, bei welchem eine Fehlfunktion dahingehend abgebildet ist, dass der Schalter, welcher mit dem zweiten Eintrag von links gesteuert wird, einen dauerhaft leitenden Zustand hat (durch Pfeil 220 markiert). Bei Steuerungsvektoren, bei welchen der von links aus gesehen erste Eintrag auch eine Eins ist (durch Pfeil 230 markiert), bei welcher also beide Schalter eines Paars einen leitenden Zustand annehmen würden, würde ein Kurzschluss oder eine andere weitergehende und möglicherweise gefährliche Fehlfunktion auftreten.
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Es sei verstanden, dass in den ursprünglich eingereichten Unterlagen von 4 der Eintrag des jeweils dauerhaft leitenden Transistors gelb (200, 220) hinterlegt ist und ein Eintrag, welcher möglicherweise zu einem Kurzschluss mit diesem Schalter führt, rot (210, 230) hinterlegt ist.
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5 zeigt den Treiberschaltkreis 10 mit modifizierten Steuerungsvektoren, welche jeweils in Gruppen von sieben Steuerungsvektoren angeordnet sind.
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Der jeweils oben dargestellte Steuerungsvektor stellt eine Reaktion auf den bereits mit Bezug auf 4 beschriebenen Fehlerfall dar, dass der Schalter, welcher von dem ganz links angeordneten Eintrag im Steuerungsvektor gesteuert wird, aufgrund einer Fehlfunktion dauerhaft leitend ist (Pfeil 200). Dementsprechend wird der Eintrag, welcher dem anderen Schalter des Paars zugeordnet ist, grundsätzlich auf Null gesetzt, wobei eine entsprechende Änderung zum Steuerungsvektor für fehlerfreie Fälle, welcher in 4 jeweils ganz oben dargestellt ist, mit einem Stern bezeichnet ist. Des Weiteren sind auch weitere Einträge modifiziert, was ebenfalls mit Sternen angezeigt ist. Diese Modifikationen führen dazu, dass nicht nur ein Kurzschluss verhindert wird, sondern dass auch ein weiterer Betrieb des Elektromotors besser möglich ist als ohne diese Modifikationen. Diese Modifikationen wurden für den jeweiligen Fehlerfall hin optimiert.
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Es sei verstanden, dass in den ursprünglich eingereichten Unterlagen von 5 Einträge oder Paare von Einträgen mit Änderungen (d.h. mit einem Stern) grün hinterlegt sind.
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Die jeweilige zweite Zeile stellt einen Steuerungsvektor für den zweiten bereits mit Bezug auf 4 genannten Fehlerfall dar, bei welchem der Schalter, welcher dem zweiten Eintrag von links zugeordnet ist, dauerhaft leitend ist (Pfeil 220) . Auch hier sind Änderungen mit einem Stern markiert.
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Die dritten bis siebten Steuerungsvektoren jeder Gruppe sind für Fehlerzustände gedacht, bei welchen Phasen kurzgeschlossen sind. Die Zuordnung ist dabei wie folgt:
- Zeile 3: Kurzschluss zwischen Phasen U und V,
- Zeile 4: Kurzschluss zwischen Phasen V und W,
- Zeile 5: Kurzschluss zwischen Phasen W und X,
- Zeile 6: Kurzschluss zwischen Phasen X und Y,
- Zeile 7: Kurzschluss zwischen Phasen Y und U.
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Die jeweiligen Modifikationen im Vergleich zum fehlerfreien Fall sind dabei auch jeweils mit einem Stern markiert. Derartige Steuerungsvektoren haben sich für die jeweiligen Fehlerzustände als vorteilhafte Steuerungsvektoren erwiesen, mit welchen ein Weiterbetrieb des Elektromotors sichergestellt werden kann.
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Durch die gezeigten Modifikationen der Steuerungsvektoren kann auf die erwähnten Fehlerzustände in vorteilhafter Weise reagiert werden und ein Weiterbetrieb des Elektromotors kann gesichert werden. Auf teure Schalter im Hochvoltbereich einer Motoranordnung kann vorteilhaft verzichtet werden.
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Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, soweit dies technisch sinnvoll ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden, dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.
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Es sei darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung Merkmale in Kombination beschrieben sein können, beispielsweise um das Verständnis zu erleichtern, obwohl diese auch separat voneinander verwendet werden können. Der Fachmann erkennt, dass solche Merkmale auch unabhängig voneinander mit anderen Merkmalen oder Merkmalskombinationen kombiniert werden können.
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Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus.
