DE102007036027B4 - Störungsbehandlung bei von Umrichtern angetriebenen PM-Motorantrieben - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Mehrphasenumrichters eines PM-Motors, das umfasst:
Detektieren einer Störung;
Erfassen, ob ein Drehzahlsignal anzeigt, dass eine Drehzahl des PM-Motors größer als eine Übergangsdrehzahl ist;
Anwenden einer Unterbrechungsantwort, wenn die Drehzahl des PM-Motors bei der Störungsdetektion kleiner als die Übergangsdrehzahl ist; und
Anwenden einer Kurzschlussantwort, wenn die Drehzahl des PM-Motors bei der Störungsdetektion größer als die Übergangsdrehzahl ist,
wobei die Übergangsdrehzahl eine nachgestellte vorbestimmte Drehzahl ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsdrehzahl auf der Grundlage von Parametern definiert wird, die für den PM-Motor charakteristisch sind, welche entsprechend einer Temperatur des PM-Motors und/oder einer Spannung einer Spannungsquelle nachgestellt werden.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Permanentmagnetmotorantriebe. Insbesondere betrifft die Erfindung Prozeduren in derartigen Antrieben zur Behandlung von Störungen, sobald diese detektiert werden.
  • Üblicherweise werden Dreiphasenspannungsumrichter für die Steuerung der Größe und der Frequenz der Motorphasenströme in Hybridfahrzeugen (welche elektrisch und von Brennstoffzellen angetriebene Fahrzeuge umfassen) verwendet. Wenn der verwendete AC-Motor aus der Klasse des Typs mit innen liegendem Permanentmagnet (IPM) ist, ist die Reaktion des Systems auf verschiedene umrichterbasierte Störungen von Bedeutung, da die Störung ein ungesteuertes Bremsdrehmoment in dem Motor verursachen kann.
  • Antriebssystemstörungen können als Störungen vom Kurzschlusstyp und als Störungen vom Unterbrechungstyp klassifiziert werden. Das Verhalten verschiedener Störungen bei Permanentmagnetmotorantrieben wurde über viele Jahre in der Literatur beschrieben. Eine Modellierung und ein Systemverhalten auf Störungen vom Kurzschlusstyp sind beschrieben in B. A. Welchko, T. M. Jahns, W. L. Soong und J. M. Nagashima, in ”IPM synchronous machine drive response to symmetrical and asymmetrical short circuit faults”, IEEE Trans. Energy Conversion, Bd. 18, Nr. 2, Seiten 291–298, Juni 2003.
  • Bei umrichtergetriebenen IPM-Motoren ergibt sich eine wichtige Klasse von Störungen vom Unterbrechungstyp, wenn die Gatesteuersignale an alle sechs Umrichterschalter ausgeschaltet oder unterbrochen werden. Während dieses Zustands ist der Motor über die antiparallelen Dioden der Umrichterschalter mit der DC-Quelle (z. B. Batterie, Brennstoffzelle etc.) verbunden. Die antiparallelen Dioden erzeugen einen Potentialpfad, über den ein Strom fließen kann, welcher von dem Betriebszustand des Motors und der DC-Quellenspannung abhängt. Der Störungszustand, bei dem die sechs Gatesignale ausgeschaltet wurden, wird eine ungesteuerte Generatorbetriebsart (UCG-Betriebsart, UCG von uncontrolled generator) genannt, da der Motor bei diesem Zustand als ein Generator arbeiten wird, der Rotationsenergie in elektrische Ströme umwandelt. Eine Modellierung und ein Systemverhalten während der UCG-Betriebsart ist charakterisiert in T. M. Jahns und V. Caliskan, ”Uncontrolled Generator Operation of Interior PM Synchronous Machines Following High-Speed Inverter Shutdown”, IEEE Trans. Industry Applications, Bd. 35, Nr. 6, Seiten 1347–1357, November/Dezember 1999.
  • In DE 10 2006 018 053 A1 ist ein System und Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche offenbart.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen PM-Motor im Falle einer umrichterbasierten Störung so abzuschalten, dass möglichst kein ungesteuertes Bremsdrehmoment in dem Motor verursacht wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Bei einem Verfahrensbeispiel der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Steuerung eines Mehrphasenumrichters eines PM-Motors ein Detektieren einer Störung, ein Messen, ob ein Drehzahlsignal anzeigt, dass eine Drehzahl des PM-Motors größer als eine Übergangsdrehzahl ist, und ein Anwenden entweder einer Unterbrechungs- oder einer Kurzschlussantwort. Die Unterbrechungsantwort wird angewendet, wenn die Drehzahl des PM-Motors bei der Störungsdetektion kleiner als die Übergangsdrehzahl ist. Die Kurzschlussantwort wird angewendet, wenn die Drehzahl des PM-Motors bei der Störungsdetektion größer als die Übergangsdrehzahl ist. Die Übergangsdrehzahl ist eine nachgestellte vorbestimmte Drehzahl, die auf der Grundlage von Parametern definiert wird, die für den PM-Motor charakteristisch sind, welche entsprechend einer Temperatur des PM-Motors und/oder einer Spannung einer Spannungsquelle nachgestellt werden.
  • Bei einem Vorrichtungsbeispiel der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Mehrphasenumrichter, einen Störungsdetektor zur Anzeige einer Detektion einer Störung, einen Sensor, um ein Drehzahlsignal bereitzustellen, das anzeigt, ob eine Drehzahl eines PM-Motors größer als eine Übergangsdrehzahl ist, und einen Controller. Der Controller dient dazu, entweder eine Unterbrechungsantwort oder eine Kurzschlussantwort auf den Mehrphasenumrichter anzuwenden. Die Unterbrechungsantwort wird angewandt, wenn die Drehzahl des PM-Motors kleiner als die Übergangsdrehzahl ist und eine Störung detektiert wird. Die Kurzschlussantwort wird angewandt, wenn die Drehzahl des PM-Motors größer als die Übergangsdrehzahl ist und die Störung detektiert wird. Die Übergangsdrehzahl ist eine nachgestellte vorbestimmte Drehzahl, die auf der Grundlage von Parametern definiert wird, die für den PM-Motor charakteristisch sind, welche entsprechend einer Temperatur des PM-Motors und/oder einer Spannung einer Spannungsquelle nachgestellt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren genau beschrieben.
  • 1 ist ein Schaltplan einer Schaltung, welche die Erfindung beispielhaft darstellt.
  • 2 ist ein Diagramm, das den Phasenstrom eines PM-Motors als eine Funktion der Drehzahl sowohl für die Kurzschlussantwort als auch die ungesteuerte Generatorantwort darstellt, wie er durch die Schaltung von 1 erzeugt wird.
  • 3 ist ein Diagramm, welches das Drehmoment eines PM-Motors als eine Funktion der Drehzahl sowohl für die Kurzschlussantwort als auch die ungesteuerte Generatorantwort darstellt, wie es durch die Schaltung von 1 erzeugt wird.
  • 4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens der Erfindung.
  • GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wenden passive Störungsantworten, welche sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des PM-Motors unterscheiden, auf Umrichter an. Nach einer Störung wird die verbleibende Steuerungskapazität des gestörten Systems verwendet, um das System in eine gesteuerte Störungsantwort zu führen, welche die Charakteristik der Gesamtstörungsantwort des Systems insgesamt gesehen minimiert, indem sie beispielsweise das ungesteuerte Bremsdrehmoment in dem Motor minimiert. Als ein Ergebnis wird der Umfang der Antwort des gestörten Systems über den Arbeitsbereich minimiert und der Motor kommt im Leerlauf mit einer gesteuerten Rate zum Halten.
  • In 1 ist eine Schaltung zur Steuerung einer Mehrphasenmaschine dargestellt, welche einen Stator mit mehreren Statorwicklungen aufweist. Die Schaltung umfasst einen Mehrphasenumrichter, der aus einer Verbindung von sechs Kommutierungsschaltern (Q1, D1), (Q2, D2), (Q3, D3), (Q4, D4), (Q5, D5) und (Q6, D6) besteht. Die Kommutierungsschalter sind paarweise angeordnet, wobei jedes Paar mit einer jeweiligen Phase verbunden ist. Eine Phase A ist sowohl mit dem ersten Schalter (Q1, D1) als auch dem vierten Schalter (Q4, D4) verbunden. Eine Phase B ist sowohl mit dem zweiten Schalter (Q2, D2) als auch dem fünften Schalter (Q5, D5) verbunden. Eine Phase C ist sowohl mit dem dritten Schalter (Q3, D3) als auch dem sechsten Schalter (Q6, D6) verbunden. Die Enden der ersten, zweiten und dritten Schalter, welche nicht mit irgendeiner Phase verbunden sind, sind mit dem PLUS-Bus verbunden. Die Enden der vierten, fünften und sechsten Schalter, die nicht irgendeiner Phase verbunden sind, sind mit dem MINUS-Bus verbunden. Die sechs Schalter werden durch jeweilige Steuereingänge C1, C2, C3, C4, C5 und C6 gesteuert. Die Phasen A, B und C sind mit einem Permanentmagnetmotor PM verbunden.
  • Ein Controller stellt elektronische Signale C1, C2, C3, C4, C5 und C6 bereit, um jeweilige Kommutierungsschalter (Q1, D1), (Q2, D2), (Q3, D3), (Q4, D4), (Q5, D5) und (Q6, D6) zu steuern. Ein Drehzahlsensor misst die Drehzahl des Permanentmagnetmotors PM und stellt dem Controller ein für die Drehzahl charakteristisches Signal bereit.
  • Controller des Typs, der zur Steuerung eines Mehrphasenpermanentmagnetmotors verwendet wird, werden häufig um einen Mikroprozessor oder etwas Entsprechendes herum aufgebaut. Zur Implementierung eines Controllers können andere Technologien verwendet werden, welche von diskreten Komponenten bis zu anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) und allem dazwischen reichen. Ein derartiger Controller weist oft eingebaute Störungserkennungsschaltkreise auf. Störungserkennungsschaltkreise detektieren Störungen wie z. B. ”außerhalb der Grenzen”-Zustände, Unterbrechungs- und Kurzschlussstörungen oder sogar Softwarestörungen. Störungen können auch mit getrennten Schaltungen detektiert werden und dem Controller als ein Störsignal gemeldet werden. In jedem Fall wird die Störung durch einen Störungsdetektor detektiert, ob sich der Detektor nun außerhalb oder innerhalb des Controllers befindet.
  • Bei jeder Störung, welche erfordert, dass der Motor auf eine gesteuerte Weise ausgeschaltet werden muss, wird eine von zwei Störungsantworten angewandt: eine Unterbrechungsstörungsantwort und eine Kurzschlussstörungsantwort. Die Wahl der zu verwendenden Antwort hängt von der Drehzahl des Motors ab. Zu Beispielszwecken wird eine Übergangsdrehzahl von etwa 7000 U/min für Beispiele und Ausführungsformen angenommen, welche in diesem Kontext erörtert werden.
  • Wenn sich der Motor mit Drehzahlen unter der Übergangsdrehzahl dreht, implementiert der Controller die Unterbrechungsstörungsantwort, indem er erzwingt, dass alle Kommutierungsschalter (Q1, D1), (Q2, D2), (Q3, D3), (Q4, D4), (Q5, D5) und (Q6, D6) Aus sind (d. h. Unterbrechung). Mit einer derartigen Antwort wird der Motor in eine ungesteuerte Generatorbetriebsart (UCG-Betriebsart) versetzt; jedoch erzeugt der Motor keinen Strom (wie in 2 dargestellt ist) und erzeugt kein Bremsdrehmoment (wie in 3 dargestellt ist), wenn sich der Motor mit Drehzahlen unter der Übergangsdrehzahl dreht. Wenn sich der Motor andererseits mit Drehzahlen über der Übergangsdrehzahl dreht, erzeugt die UCG-Betriebsart mit zunehmender Drehzahl zunehmend mehr Strom (wie in 2 dargestellt ist) und erzeugt mit zunehmender Drehzahl zunehmend mehr Bremsdrehmoment (wie in 3 dargestellt ist). Daher vermeidet der Controller ein Implementieren der Unterbrechungsstörungsantwort bei Motordrehzahlen über der Übergangsdrehzahl. Stattdessen wird eine Kurzschlussantwort implementiert.
  • Eine Kurzschlussantwort wird implementiert, indem erzwungen wird, dass alle Kommutierungsschalter an dem PLUS-Bus (Q1, D1), (Q2, D2) und (Q3, D3) Ein sind (Kurzschluss), während alle Kommutierungsschalter an dem MINUS-Bus (Q4, D4), (Q5, D5) und (Q6, D6) auf Aus gezwungen werden (Unterbrechung). Alternativ kann die Kurzschlussantwort implementiert werden, indem erzwungen wird, dass alle Kommutierungsschalter an dem PLUS-Bus (Q1, D1), (Q2, D2) und (Q3, D3) Aus sind (Unterbrechung), während alle Kommutierungsschalter an dem MINUS-Bus (Q4, D4), (Q5, D5) und (Q6, D6) auf Ein gezwungen werden (Kurzschluss). In beiden Fällen erzeugt die Kurzschlussantwort bei Motordrehzahlen unter der Übergangsdrehzahl zunehmend mehr Strom von dem Motor (wie in 2 dargestellt ist), wenn die Drehzahl von Null U/min ansteigt, und erzeugt anfänglich bei einer niedrigen Drehzahl zunehmend mehr Bremsdrehmoment, aber abnehmendes Drehmoment, wenn sich die Drehzahl der Übergangsdrehzahl nähert (wie in 3 dargestellt ist).
  • Bei einer Ausführungsform eines Verfahrens, wobei das Verfahren zur Steuerung eines Mehrphasenumrichters eines PM-Motors in 4 dargestellt ist, umfasst das Verfahren ein Detektieren einer Störung und ein Messen, ob ein Drehzahlsignal anzeigt, dass eine Drehzahl des PM-Motors größer als eine Übergangsdrehzahl ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Anwenden einer Unterbrechungsantwort, wenn das Drehzahlsignal anzeigt, dass die Drehzahl des PM-Motors bei der Störungsdetektion kleiner als die Übergangsdrehzahl ist, und ein Anwenden einer Kurzschlussantwort, wenn das Drehzahlsignal anzeigt, dass die Drehzahl des PM-Motors bei der Störungsdetektion größer als die Übergangsdrehzahl ist. Die Übergangsdrehzahl ist eine nachgestellte vorbestimmte Drehzahl, die auf der Grundlage von Parametern definiert wird, die für den PM-Motor charakteristisch sind, welche entsprechend entweder einer Temperatur des PM-Motors oder einer Spannung einer Spannungsquelle oder beidem nachgestellt werden.
  • Bei einer ersten Variante der Verfahrensausführungsform umfasst das Anwenden der Unterbrechungsantwort ein Steuern aller Schalter in dem Mehrphasenumrichterantrieb, so dass sie geöffnet werden.
  • Bei einer zweiten Variante der Verfahrensausführungsform umfasst das Anwenden der Kurzschlussantwort ein Steuern ausgewählter Schalter in dem Mehrphasenumrichterantrieb, um alle Phasen des Mehrphasenumrichters mit einem einzigen Bus zu verbinden, und ein Steuern aller anderen Schalter in dem Mehrphasenumrichterantrieb, so dass sie geöffnet werden.
  • Bei einer Ausführungsform einer Vorrichtung umfasst die Vorrichtung einen Mehrphasenumrichter, einen Störungsdetektor zur Anzeige einer Detektion einer Störung, einen Sensor zur Bereitstellung eines Drehzahlsignals, das anzeigt, ob eine Drehzahl eines PM-Motors größer als eine Übergangsdrehzahl ist, und einen Controller. Der Controller dient dazu, eine Unterbrechungsantwort auf den Mehrphasenumrichter anzuwenden, wenn das Drehzahlsignal anzeigt, dass die Drehzahl des PM-Motors kleiner als die Übergangsdrehzahl ist und eine Störung detektiert wird. Zusätzlich dient der Controller dazu, eine Kurzschlussantwort auf den Mehrphasenumrichter anzuwenden, wenn das Drehzahlsignal anzeigt, dass die Drehzahl des PM-Motors größer als die Übergangsdrehzahl ist und die Störung detektiert wird. Die Übergangsdrehzahl ist eine nachgestellte vorbestimmte Drehzahl, die auf der Grundlage von Parametern definiert wird, die für den PM-Motor charakteristisch sind, welche entsprechend einer Temperatur des PM-Motors und/oder einer Spannung einer Spannungsquelle nachgestellt werden.
  • Bei einer ersten Variante der Vorrichtungsausführungsform der steuert die Anwendung der Unterbrechungsantwort durch den Controller alle Schalter in dem Mehrphasenumrichter, so dass sie geöffnet werden.
  • Bei einer zweiten Variante der Vorrichtungsausführungsform steuert die Anwendung der Kurzschlussantwort durch den Controller gewählte Schalter in dem Mehrphasenumrichter, um alle Phasen des Mehrphasenumrichters mit einem einzigen Bus zu verbinden, und steuert alle anderen Schalter in dem Mehrphasenumrichter, so dass sie geöffnet werden.
  • Nachdem bevorzugte Ausführungsformen eines neuen Verfahrens, einer neuen Vorrichtung und eines neuen Mediums zur Störungsbehandlung bei von Umrichtern angetriebenen PM-Motorantrieben beschrieben wurden (welche zur Darstellung und nicht zur Beschränkung gedacht sind), wird angemerkt, dass Fachleute im Licht der voranstehenden Lehren Modifikationen und Variationen durchführen können. Es sollte daher verstanden sein, dass Änderungen in den speziellen Ausführungsformen der offenbarten Erfindung durchgeführt werden können, welche im Schutzumfang der Erfindung liegen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
  • Nachdem die Erfindung folglich mit den Details und der Genauigkeit beschrieben wurde, welche durch die Patentgesetze gefordert sind, wird in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, was beansprucht ist und durch ein Patent geschützt werden soll.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Mehrphasenumrichters eines PM-Motors, das umfasst: Detektieren einer Störung; Erfassen, ob ein Drehzahlsignal anzeigt, dass eine Drehzahl des PM-Motors größer als eine Übergangsdrehzahl ist; Anwenden einer Unterbrechungsantwort, wenn die Drehzahl des PM-Motors bei der Störungsdetektion kleiner als die Übergangsdrehzahl ist; und Anwenden einer Kurzschlussantwort, wenn die Drehzahl des PM-Motors bei der Störungsdetektion größer als die Übergangsdrehzahl ist, wobei die Übergangsdrehzahl eine nachgestellte vorbestimmte Drehzahl ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsdrehzahl auf der Grundlage von Parametern definiert wird, die für den PM-Motor charakteristisch sind, welche entsprechend einer Temperatur des PM-Motors und/oder einer Spannung einer Spannungsquelle nachgestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anwenden der Unterbrechungsantwort ein Steuern aller Schalter in dem Mehrphasenumrichterantrieb umfasst, so dass sie geöffnet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anwenden der Kurzschlussantwort ein Steuern gewählter Schalter in dem Mehrphasenumrichterantrieb, um alle Phasen des Mehrphasenumrichters mit einem einzigen Bus zu verbinden, und ein Steuern aller anderen Schalter in dem Mehrphasenumrichterantrieb umfasst, so dass sie geöffnet werden.
  4. Vorrichtung, die umfasst: einen Mehrphasenumrichter; einen Störungsdetektor zur Anzeige einer Detektion einer Störung; einen Sensor zur Bereitstellung eines Drehzahlsignals, das anzeigt, ob eine Drehzahl eines PM-Motors größer als eine Übergangsdrehzahl ist; und einen Controller, der dazu dient, eine Unterbrechungsantwort auf den Mehrphasenumrichter anzuwenden, wenn die Drehzahl des PM-Motors kleiner als die Übergangsdrehzahl ist und eine Störung detektiert wird, und der zusätzlich dazu dient, eine Kurzschlussantwort auf den Mehrphasenumrichter anzuwenden, wenn die Drehzahl des PM-Motors größer als die Übergangsdrehzahl ist und die Störung detektiert wird, wobei die Übergangsdrehzahl eine nachgestellte vorbestimmte Drehzahl ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsdrehzahl auf der Grundlage von Parametern definiert wird, die für den PM-Motor charakteristisch sind, welche entsprechend einer Temperatur des PM-Motors und/oder einer Spannung einer Spannungsquelle nachgestellt werden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Anwendung der Unterbrechungsantwort durch den Controller alle Schalter in dem Mehrphasenumrichter steuert, so dass sie geöffnet werden.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Anwendung der Kurzschlussantwort durch den Controller gewählte Schalter in dem Mehrphasenumrichter steuert, um alle Phasen des Mehrphasenumrichters mit einem einzigen Bus zu verbinden, und alle anderen Schalter in dem Mehrphasenumrichter steuert, so dass sie geöffnet werden.
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