DE102005046962A1 - Control system and method for controlling a permanently excited electric motor - Google Patents

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
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    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage

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Abstract

Es wird ein Ansteuersystem für einen permanent erregten Elektromotor mit mindestens einem Strang angegeben, das eine erste Halbbrückenanordnung für jeden Strang des Elektromotors umfasst. Das Ansteuersystem weist einen Zwischenkreis auf, der die Halbbrückenanordnung mit einer Motorversorgungsspannungsquelle verbindet. Auch umfasst das Ansteuersystem eine Motorsteuerung zur Ansteuerung der Halbbrückenanordnung, wobei anhand der Motorsteuerung an den jeweiligen der Halbbrückenanordnung zugeordneten Strang des Elektromotors ein Potential vorgegebener Polarität für eine vorgegebene Zeitdauer anlegbar ist. Es ist ein Schutzmodul vorgesehen, das mit dem mindestens einen Strang des Elektromotors verbunden ist. Das Schutzmodul umfasst eine zweite Halbbrückenanordnung für jeden Strang des Elektromotors und eine Reihenschaltung aus einem ersten Schalter und einem Verbraucher (insbesondere einem Widerstand), welche Reihenschaltung parallel zu der zweiten Halbbrückenanordnung vorgesehen ist. In einem Fehlerfall ist der erste Schalter einschaltbar, so dass ein Strom über den Verbraucher fließen kann.A control system for a permanently excited electric motor with at least one strand is specified, which comprises a first half-bridge arrangement for each strand of the electric motor. The control system has an intermediate circuit which connects the half-bridge arrangement to a motor supply voltage source. The control system also includes a motor control for controlling the half-bridge arrangement, with the aid of the motor control being able to apply a potential of predetermined polarity for a predetermined period of time to the respective strand of the electric motor assigned to the half-bridge arrangement. A protection module is provided that is connected to the at least one strand of the electric motor. The protection module comprises a second half-bridge arrangement for each strand of the electric motor and a series connection of a first switch and a load (in particular a resistor), which series connection is provided in parallel with the second half-bridge arrangement. In the event of a fault, the first switch can be switched on so that a current can flow through the consumer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansteuersystem und ein Verfahren zur Ansteuerung für einen permanent erregten Elektromotor.The The invention relates to a drive system and a method for driving for one permanently excited electric motor.

Permanenterregte Elektromotoren werden beispielsweise als Fahrzeugantriebsmotoren verwendet, die bei Hybridantriebssystemen elektrische Energie aus einem durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Generator oder bei vollelektrisch betriebenen Fahrzeugen elektrische Energie aus einer so genannten Traktionsbatterie erhalten. Bei permanent erregten Elektromotoren besteht aufgrund ihres Aufbaus grundsätzlich das Problem, dass aufgrund der im Betrieb auftretenden Relativbewegung zwischen den Ankerwicklungen und den Permanentmagneten in den Ankerwicklungen eine als Polradspannung bekannte Gegenspannung induziert wird. Diese induzierte Spannung steigt mit zunehmender Drehzahl an, bis sie schließlich im Bereich der durch die Spannungsquelle für den Elektromotor bereitgestellten Versorgungsspannung liegt. Eine weitere Erhöhung der Motordrehzahl kann dann nur durch eine so genannte Feldschwächung erreicht werden, bei welcher eine Strangverschiebung des in die Wicklungen eingeleiteten Stroms erzeugt wird. Treten bei derartigen Antriebssystemen mit permanent erregten Elektromotoren Fehler auf, zum Beispiel der Ausfall der die Feldschwächung vornehmenden Ansteuereinheit, so kann dies zu ernsthaften Problemen führen.permanent-magnet Electric motors are used, for example, as vehicle drive motors used in electric power hybrid drive systems a driven by an internal combustion engine generator or in fully electrically powered vehicles electrical energy obtained a so-called traction battery. When permanently excited Due to their design, electric motors are basically the same Problem that due to the relative movement occurring during operation between the armature windings and the permanent magnets in the armature windings a known as Polradspannung counter-voltage is induced. This induced Voltage increases with increasing speed, until finally in the Range provided by the voltage source for the electric motor Supply voltage is. Another increase in engine speed can then only be achieved by a so-called field weakening, at which is a strand displacement of the introduced into the windings Electricity is generated. Join in such drive systems Permanently excited electric motors errors, for example, the failure the field weakening leading control unit, this can lead to serious problems to lead.

So führt der Ausfall der Feldschwächung insbesondere bei hohen Drehzahlen zu einem erheblichen Bremsmoment, das bei der Rückspeisung elektrischer Energie vom Motor in die Spannungsquelle, z.B. Traktionsbatterie, erzeugt wird. Aufgrund der Spannungsüberhöhung, verursacht durch den Innenwiderstand der Batterie, besteht weiterhin die Gefahr, dass es zur Schädigung der Traktionsbatterie kommt, die im allgemeinen für eine Betriebsspannung von ca. 200V bis 300V ausgelegt ist. Ferner ist das Auftreten derartig großer Bremsmomente im Fahrbetrieb unerwünscht, da dies zu einer Gefährdung der in einem Fahrzeug sitzenden Personen führen kann.So leads the Failure of the field weakening especially at high speeds to a considerable braking torque, that with the return feed electrical energy from the motor into the voltage source, e.g. Traction battery, is produced. Due to the voltage overshoot, caused by the Internal resistance of the battery, there is still the risk that it to injury the traction battery comes in, which generally works for an operating voltage of about 200V to 300V is designed. Furthermore, the occurrence is such greater Braking moments during driving unwanted, since this is a threat to the can lead people sitting in a vehicle.

Ist mit dem Zwischenkreis keine Spannungsquelle verbunden, oder ist beispielsweise die Verbindung der Spannungsquelle mit dem Zwischenkreis unterbrochen worden, so kann die Polradspannung am Zwischenkreis anliegen und insbesondere die dort vorhandenen Bauelemente schädigen oder zerstören.is no voltage source connected to the DC link, or is For example, the connection of the voltage source to the intermediate circuit interrupted been, so the Polradspannung can be applied to the DC link and especially damaging the existing components there or to destroy.

Um diese Probleme zu vermeiden, ist es möglich, die verschiedenen Komponenten des Umrichters, beispielsweise die Kondensatoren und Leistungshalbleiter, derart zu dimensionieren, dass die gleichgerichtete Polradspannung die Nennspannung der Komponenten nicht übersteigt. Durch eine derartige Überdimensionierung der Komponenten kann das Risiko einer Beschädigung reduziert werden. Dabei ist es von Nachteil, dass die Antriebssysteme nicht für das zur Verfügung stehende Volumen bzw. für die Erzeugung größtmöglicher Leistung ausgelegt werden können. Auch die verschiedenen Bauteile des Zwischenkreises oder der Leistungselektronik müssen bei diesem Ansatz für die zu erwartenden maximalen Spannungen ausgelegt werden, was regelmäßig zu hohen Bauteilkosten führt.Around To avoid these problems, it is possible to use the different components the inverter, for example the capacitors and power semiconductors, dimensioned such that the rectified Polradspannung does not exceed the rated voltage of the components. By such oversizing Components can reduce the risk of damage. there it is disadvantageous that the drive systems are not for the disposal standing volume or for the generation of the greatest possible Performance can be designed. The various components of the DC link or the power electronics must be at this approach for the expected maximum voltages are designed, which is regularly too high Component costs leads.

DE 198 35 576 A1 schlägt ein Ansteuersystem vor mit einer Ansteueranordnung, die derart eingerichtet ist, dass dann, wenn durch eine Betriebszustands-Erfassungsanordnung in dem Ansteuersystem oder/und dem Elektromotor das Vorliegen wenigstens eines vorbestimmten Betriebszustands erfasst wird, ein Kurzschlusses bei jedem Strang des Motors erzeugt wird. DE 198 35 576 A1 proposes a drive system having a drive arrangement which is set up in such a way that, when an operating state detection arrangement in the drive system and / or the electric motor detects the presence of at least one predetermined operating state, a short circuit is generated at each line of the motor.

Das in DE 198 35 576 A1 beschriebene Ansteuersystem ist in der Lage, unterschiedliche Betriebszustände zu berücksichtigen und dabei durch gezieltes Erzeugen eines Kurzschlusses im Elektromotor das Auftreten potentieller Gefahren oder potentiell ungewünschter Folgezustände zu vermeiden. Gerade im Bereich hoher Drehzahlen ist das bei Kurzschluss erzeugte Bremsmoment vernachlässigbar, insbesondere liegt das Bremsmo ment deutlich unterhalb des Bremsmoments eines nicht kurzgeschlossenen Elektromotors. Tritt beispielsweise ein spontaner Ausfall der Feldschwächung auf, so kann durch gezieltes Kurzschließen des Elektromotors zum einen das Auftreten eines unerwünschten Bremsmoments deutlich reduziert werden, zum anderen kann verhindert werden, dass eine möglicherweise vom Elektromotor in den Zwischenkreis eingespeiste Spannung zur Beschädigung der Bauteile, der Komponenten oder der Spannungsquelle (z.B. der Traktionsbatterie) führt.This in DE 198 35 576 A1 described drive system is able to take into account different operating conditions, thereby avoiding the occurrence of potential hazards or potentially undesirable consequential conditions by selectively generating a short circuit in the electric motor. Especially in the range of high speeds, the braking torque generated in the event of a short circuit is negligible, in particular the braking torque is significantly below the braking torque of a non-short-circuited electric motor. If, for example, a spontaneous failure of the field weakening occurs, the occurrence of an undesirable braking torque can be significantly reduced by deliberately short-circuiting the electric motor. Secondly, it is possible to prevent a voltage possibly fed by the electric motor into the intermediate circuit from damaging the components, the components or the voltage source (eg the traction battery) leads.

1 zeigt ein Ansteuersystem gemäß DE 198 35 576 A1 . Das Ansteuersystem kann grundsätzlich in folgende Baugruppen untergliedert werden:

  • – Eine Umrichtereinheit 12 mit drei Halbbrücken 14, 16, 18, wobei jede der Halbbrücken 14, 16, 18 einer der drei Motorphasen 20, 22, 24 des Elektromotors 26 zugeordnet ist;
  • – einen Zwischenkreis 28 mit einem Zwischenkreiskondensator 30, wobei der Zwischenkreis 28 die Umrichtereinheit 12 mit einer Spannungsquelle 32 verbindet.
1 shows a drive system according to DE 198 35 576 A1 , The control system can basically be subdivided into the following modules:
  • - One inverter unit 12 with three half-bridges 14 . 16 . 18 where each of the half bridges 14 . 16 . 18 one of the three engine phases 20 . 22 . 24 of the electric motor 26 assigned;
  • - a DC link 28 with a DC link capacitor 30 , where the DC link 28 the inverter unit 12 with a voltage source 32 combines.

In der Darstellung ist die Spannungsquelle 32 eine Traktionsbatterie, ggf. mit Leistungselektronik, welche eine Gleichspannung liefert. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass beispielsweise auch in Hybridantrieben als Spannungsquelle für den Elektromotor 26 ein durch einen Verbrennungsmotor angetriebener Generator mit nachgeschalteter Leistungselektronik eingesetzt werden kann.The illustration shows the voltage source 32 a traction battery, possibly with power electronics, which supplies a DC voltage. It should be noted, however, that, for example, in hybrid drives as a voltage source for the Elek tromotor 26 a driven by an internal combustion engine generator can be used with downstream power electronics.

Die Motorsteuerung 34 steuert über jeweilige Signalleitungen die Umrichtereinheit 12, d.h. die jeweiligen Halbbrücken 14, 16, 18 der Umrichtereinheit, an. Jede Halbbrücke 14, 16, 18 enthält hierbei ein erstes Schalterelement 36, aus einem IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit einer parallel geschalteten Freilaufdiode, sowie ein zweites Schalterelement 38 aus einem IGBT mit einer parallel geschalteten Freilaufdiode. Die einzelnen IGBTs der verschiedenen Halbbrücken 14, 16, 18 werden durch die Motorsteuerung 34 angesteuert, um die einzelnen Stränge 20, 22, 24 des Elektromotors 26 wahlweise und für vorbestimmte Zeitdauern mit den verschiedenen Potentialen des Zwischenkreises 28 zu verbinden.The engine control 34 controls the inverter unit via respective signal lines 12 ie the respective half-bridges 14 . 16 . 18 the inverter unit, on. Every half bridge 14 . 16 . 18 contains here a first switch element 36 of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) with a freewheeling diode connected in parallel and a second switch element 38 from an IGBT with a freewheeling diode connected in parallel. The individual IGBTs of the different half-bridges 14 . 16 . 18 be through the engine control 34 driven to the individual strands 20 . 22 . 24 of the electric motor 26 optionally and for predetermined periods of time with the various potentials of the intermediate circuit 28 connect to.

Weiterhin weist das Ansteuersystem gemäß 1 einen Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Umsetzer 40 auf, der die am Zwischenkreis 28 anliegende Spannung abgreift und diese in eine gewünschte Gleichspannung, beispielsweise in Höhe von 12V, umsetzt. Diese Gleichspannung wird parallel zu der durch die Spannungsquelle 48 erzeugten Spannung an die Motorsteuerung 34 geleitet. Es handelt sich somit um eine redundante Spannungsversorgung für die Motorsteuerung 34, so dass beispielsweise bei Ausfall der Spannungsquelle 48 die für die Motorsteuerung erforderliche Betriebsspannung dem Zwischenkreis entnommen werden kann und damit auch weiterhin die Ansteuerung bzw. Regelung des Elektromotors gewährleistet werden kann. Eine solche redundante Versorgung ist auch dann zweckdienlich, wenn zusätzlich zu der Spannungsquelle 48 die Spannungsquelle 32 ausfällt, da in diesem Falle durch die im Elektromotor 26 induzierte Spannung und die Gleichrichtung über die Freilaufdioden am Zwischenkreis eine Spannung erzeugt wird, die als Betriebsspannung für die Motorsteuerung eingesetzt werden kann, um auch bei vollständigem Ausfall der Spannungsversorgung die Regelung des Motors 26 zu gewährleisten, insbesondere dann, wenn der Motor 26 im Feldschwächebereich betrieben wird.Furthermore, the drive system according to 1 a DC / DC converter 40 on, the one on the DC link 28 tapped voltage applied and converts them into a desired DC voltage, for example in the amount of 12V. This DC voltage becomes parallel to that through the voltage source 48 generated voltage to the engine control 34 directed. It is therefore a redundant power supply for the engine control 34 , so that, for example, in case of failure of the voltage source 48 the required for the motor control operating voltage can be removed from the DC link and thus continue to control the control of the electric motor can be ensured. Such a redundant supply is also useful if in addition to the voltage source 48 the voltage source 32 fails, because in this case by the electric motor 26 induced voltage and the rectification of the freewheeling diodes on the intermediate circuit, a voltage is generated, which can be used as the operating voltage for the motor control to even in complete failure of the power supply, the control of the motor 26 to ensure, especially if the engine 26 operated in the field weakening area.

Tritt im Bereich des Ansteuersystems, beispielsweise im Bereich des Elektromotors 26 selbst oder im Bereich der Spannungsquelle, ein Fehler auf, so kann durch die Motorsteuerung 34 ein Kurzschluss dadurch erzeugt werden, dass entweder alle Schalterelemente 36 oder alle Schalterelemente 38 oder alle Schalterelemente 36 und 38 leitend geschaltet werden. Damit wird vermieden, dass die im Motor erzeugte Polradspannung am Zwischenkreis anliegt und die dort enthaltenen Komponenten oder die Komponenten der Halbbrücken 14, 16, 18 oder die Spannungsquelle 32 beschädigt. Bei modernen permanent erregten Elektromotoren kann die Polradspannung deutlich über der durch die Spannungsquelle 32 bereitgestellten Versorgungsspannung liegen. Bei Übersteigen der für die Spannungsquelle 32 zulässigen Spannung besteht die Gefahr, dass bei Rückspeisung der elektrischen Energie durch die gleichgerichtete Polradspannung die Spannungsquelle 32 beschädigt wird. Entsprechendes gilt für die Schalter 36 bzw. 38: Auch hier kann durch den beschriebenen geschalteten Kurzschluss eine Beschädigung der Schalter vermieden werden.Occurs in the area of the drive system, for example in the area of the electric motor 26 itself or in the area of the voltage source, a fault on, so can through the motor control 34 a short circuit can be generated by either all the switch elements 36 or all switch elements 38 or all switch elements 36 and 38 be switched on. This avoids that the Polradspannung generated in the motor rests on the DC link and the components contained there or the components of the half-bridges 14 . 16 . 18 or the voltage source 32 damaged. In modern permanently excited electric motors, the pole wheel voltage can be significantly higher than that of the voltage source 32 provided supply voltage are. When exceeding the for the voltage source 32 permissible voltage there is a risk that when feeding back the electrical energy by the rectified Polradspannung the voltage source 32 is damaged. The same applies to the switches 36 respectively. 38 : Again, damage to the switches can be avoided by the described shorted circuit.

Da kein unerwünschter Spannungsanstieg im Zwischenkreis 28 bzw. in der Umrichtereinheit 12 auftreten kann, ist es von Vorteil, dass die verschiedenen Schaltelemente oder Baugruppen nicht für den Fehlerfall und die damit verbundenen hohen maximalen Spannungen ausgelegt werden müssen. So können insbesondere im Bereich der Halbleiterbauteile Kosten eingespart werden.There is no unwanted voltage increase in the DC link 28 or in the inverter unit 12 can occur, it is advantageous that the various switching elements or modules do not have to be designed for the fault and the associated high maximum voltages. Thus, costs can be saved, in particular in the field of semiconductor components.

Andererseits ist es möglich, die verschiedenen Komponenten, insbesondere den Elektromotor, derart auszugestalten, dass bei vorgegebenem Volumen die größtmögliche Leistung erzielt werden kann, ohne dabei auf Seiten der Schaltung darauf achten zu müssen, dass ein übermäßig großer Sicherheitsabstand der jeweiligen Nennspannungen verschiedener Komponenten zu den maximal (im Fehlerfall) zu erwartenden Spannungen vorhanden ist.on the other hand Is it possible, the various components, in particular the electric motor, so to design that for a given volume the greatest possible performance can be achieved without being on the part of the circuit on it to pay attention that an excessively large safety distance the respective rated voltages of various components to the maximum (in case of error) expected voltages is present.

Der angesprochene Fehlerzustand kann in verschiedenen Bereichen des Antriebssystems auftreten. So kann beispielsweise ein Lagegeber für den Rotor des Motors defekt sein, so dass eine korrekte Stromversorgung des Motors nicht mehr möglich ist. Weiterhin kann bzw. können der Stromsensor bzw. die Stromsensoren zur Erfassung der in den einzelnen Motorsträngen 20, 22, 24 fließenden Ströme defekt sein. Auch könnte im Elektromotor selbst ein Kurschluss vorliegen. Ferner kann, wie vorangehend angesprochen, ein Ausfall oder ein Abfall der durch die Spannungsquelle 32 bereitgestellten Spannung vorliegen.The fault state mentioned can occur in different areas of the drive system. For example, a position sensor for the rotor of the motor may be defective, so that a correct power supply to the motor is no longer possible. Furthermore, the current sensor or the current sensors for detecting the in the individual motor strands can or can 20 . 22 . 24 flowing currents are defective. Also could be present in the electric motor itself a short circuit. Further, as mentioned above, a failure or a fall of the voltage source may occur 32 provided voltage.

In 1 ist ein weiteres Schalterelement 42 erkennbar, das zu den Schaltern 36 bzw. 38 der Halbbrückeneinheit 12 parallel geschaltet ist. Auch dieses Schalterelement 42 kann wieder einen IGBT und einen Reihenwiderstand aufweisen und wird von der Motorsteuerung 34 angesteuert. Der vorstehend beschriebene geschaltete Kurzschluss kann alternativ durch das Leitendschalten des Schalterelements 42 erreicht werden. Ein solcher Kurzschluss sollte nur dann, ebenso wie ein gleichzeitiges Leitendschalten aller Schalterelemente 36 und 38, durch die Motorsteuerung 34 verursacht werden, wenn ein vollständiger oder nahezu vollständiger Spannungsabfall oder Ausfall der Spannungsquelle 32 vorliegt. Ansonsten würde gleichzeitig mit dem Leitendschalten der Schalterelemente 36 und 38 die Spannungsquelle 32 kurzgeschlossen. Um dies zu verhindern könnte zusätzlich im Zwischenkreis 28 zwischen dem Schalterelement 42 und der Spannungsquelle 32 ein weiteres Schalterelement vorgesehen sein, das mit dem Durchschalten des Schalterelements 42 sperrt, so dass der Kurzschluss lediglich in der Darstellung der 1 an der rechten Seite des Schalterelements 42, d.h. im Bereich des Motors 26, erzeugt wird.In 1 is another switch element 42 recognizable, that to the switches 36 respectively. 38 the half-bridge unit 12 is connected in parallel. Also this switch element 42 may again have an IGBT and a series resistance and is provided by the motor controller 34 driven. The switched short circuit described above may alternatively be accomplished by turning on the switch element 42 be achieved. Such a short circuit should only then, as well as a simultaneous Leitendschalten all switch elements 36 and 38 , through the engine control 34 caused when a complete or near complete voltage drop or failure of the voltage source 32 is present. Otherwise would be simultaneous with the Leitendschalten the switch elements 36 and 38 the voltage source 32 shorted. To prevent this could additionally in the intermediate circuit 28 between the switch element 42 and the voltage source 32 be provided a further switch element, which with the switching of the switch element 42 locks, so the short circuit only in the representation of the 1 on the right side of the switch element 42 , ie in the range of the engine 26 , is produced.

Hierbei ist es von Nachteil, dass der Kurzschlussstrom nicht begrenzt wird. Dies ist insbesondere im Hinblick auf den Einschaltspitzenstrom problematisch. Durch einen hohen Kurzschlussstrom kann der Motor, z.B. durch Entmagnetisierung des Permanentmagneten, dauerhaft geschädigt werden.in this connection it is disadvantageous that the short-circuit current is not limited. This is especially with regard to the inrush current problematic. Due to a high short-circuit current, the motor, e.g. due to demagnetization of the permanent magnet, permanently damaged.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.The The object of the invention is the disadvantages mentioned above to avoid.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.These Task is performed according to the characteristics of independent claims solved. Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Ansteuersystem für einen permanent erregten Elektromotor mit mindestens einem Strang angegeben, das eine erste Halbbrückenanordnung für jeden Strang des Elektromotors umfasst. Das Ansteuersystem weist einen Zwischenkreis auf, der die Halbbrückenanordnung mit einer Motorversorgungsspannungsquelle verbindet. Auch umfasst das Ansteuersystem eine Motorsteuerung zur Ansteuerung der Halbbrückenanordnung, wobei anhand der Motorsteuerung an den jeweiligen der Halbbrückenanordnung zugeordneten Strang des Elektromotors ein Potential vorgegebener Polarität für eine vorgegebene Zeitdauer anlegbar ist. Es ist ein Schutzmodul vorgesehen, das mit dem mindestens einen Strang des Elektromotors verbunden ist. Das Schutzmodul umfasst eine zweite Halbbrückenanordnung für jeden Strang des Elektromotors und eine Reihenschaltung aus einem ersten Schalter und einem Verbraucher (insbesondere einem Widerstand), welche Reihenschaltung parallel zu der zweiten Halbbrückenanordnung vorgesehen ist. In einem Fehlerfall ist der erste Schalter einschaltbar, so dass ein Strom über den Verbraucher fließen kann.to solution The object is a drive system for a permanently excited Electric motor specified with at least one strand, which is a first Half-bridge arrangement for each Strand of the electric motor includes. The drive system has a DC link on, the half-bridge arrangement connects to a motor supply voltage source. Also includes the drive system has a motor control for driving the half-bridge arrangement, being based on the engine control to the respective one of the half-bridge arrangement associated strand of the electric motor, a potential of predetermined polarity for a given Duration can be applied. There is a protection module provided with the at least one strand of the electric motor is connected. The Protection module includes a second half-bridge arrangement for each Strand of the electric motor and a series circuit of a first switch and a consumer (in particular a resistor) which series connection parallel to the second half-bridge arrangement is provided. In the case of an error, the first switch can be switched on, leaving a stream over the consumer can flow.

Das Schutzmodul (VPM = „Virtual Protection Module") kann im Fehlerfall über den Verbraucher, z.B. einen geeignet dimensionierten (ohmschen) (Fest-)Widerstand, Leistung abführen und somit den Kurzschlussstrom durch den Motor begrenzen. Dadurch wird eine Schädigung des Motors vermieden.The Protection module (VPM = "Virtual Protection Module ") can overflow in case of error the consumer, e.g. a suitably dimensioned (ohmic) (fixed) resistor, Dissipate power and thus limit the short circuit current through the motor. Thereby will be a damage avoided the engine.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass das Schutzmodul einen zweiten Schalter aufweist, der parallel zu der zweiten Halbbrückenanordnung ausgeführt ist. Dieser zweite Schalter kann im Fehlerfall, z.B. nach einer vorgegebenen Zeitdauer oder bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes, geschlossen werden. Somit kann eine Begrenzung des Kurzschlussstroms zweistufig erfolgen: Zuerst wird der erste Schalter, dann der zweite Schalter geschlossen. Dadurch werden insbesondere Einschaltspitzenströme durch den Elektromotor begrenzt derart, dass über den Verbraucher ein Strom abgeführt wird, der geringer als ein möglicherweise den Elektromotor schädigender Kurzschlussstrom ist.A Further development is that the protection module has a second Switch which is parallel to the second half-bridge arrangement accomplished is. This second switch can be faulty, e.g. after a predetermined period or when exceeded a predetermined threshold, be closed. Thus, can a limitation of the short-circuit current in two stages: First the first switch, then the second switch closed. Thereby In particular, peak inrush currents are limited by the electric motor such that over the consumer a current dissipated which is less than a possible one Electric motor damaging Short-circuit current is.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der erste Schalter und/oder der zweite Schalter ein Halbleiterschalter oder ein Thyristor oder ein IGBT oder ein Transistor ist/sind.A Another development is that the first switch and / or the second switch is a semiconductor switch or a thyristor or an IGBT or a transistor is / are.

Ein Fehlerfall kann insbesondere einen der folgenden Fälle umfassen:

  • – Abfall oder Ausfall der Motorversorgungsspannung;
  • – Kurzschlussfehler, insbesondere im Bereich des Motors;
  • – Ansteigen einer Spannung an dem Zwischenkreis oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts;
  • – Fehler im Bereich der ersten oder zweiten Halbbrückenan ordnung.
In particular, an error case may include one of the following cases:
  • - waste or failure of the motor supply voltage;
  • - Short-circuit fault, especially in the area of the motor;
  • Increasing a voltage at the intermediate circuit above a predetermined limit value;
  • - Errors in the range of the first or second Halbbrückenan order.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass der Fehlerfall anhand einer Messeinheit ermittelbar ist, wobei die Messeinheit mit dem Schutzmodul verbunden oder als Teil des Schutzmoduls ausgeführt sein kann. Die Messeinheit kann ferner Sensoren umfassen, die die Ausgangssignale der Motorsteuerung, die Motorversorgungsspannungsquelle oder verschiedene andere Zustände oder Schaltelemente überwachen.Also It is a training that the error case using a measuring unit can be determined, wherein the measuring unit connected to the protection module or may be implemented as part of the protection module. The measuring unit may further comprise sensors, which are the output signals of the engine control, the Motor supply voltage source or various other states or Monitor switching elements.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der erste Schalter und/oder der zweite Schalter geöffnet werden, insbesondere sobald dies ein von der Messeinheit ermittelter Wert anzeigt. Alternativ kann/können nach einer vorgegebenen Zeitdauer der erste Schalter und/oder der zweite Schalter geöffnet werden. Sollte der Fehlerfall fortbestehen, wird/werden der/die Schalter wieder geschlossen. Insbesondere kann im letzteren Fall anhand des Öffnens des zweiten Schalters überprüft werden, ob der Fehlerfall fortbesteht.A Embodiment is that the first switch and / or the second switches are opened, especially as soon as this is a value determined by the measuring unit displays. Alternatively, you can / after a predetermined period of time, the first switch and / or the second switch open become. Should the error persist, will / will Switch closed again. In particular, in the latter case by opening the second switch to be checked whether the error persists.

Durch das zweistufige Verfahren wird vorteilhaft der Phasenstrom durch den Motor reduziert. Dabei wird insbesondere die kritische Einschaltspitze begrenzt. Weiterhin kann durch geeignete Ansteuerung sichergestellt sein, dass der Verbraucher nur über einen kurzen Zeitraum belastet wird.By the two-stage process advantageously undergoes the phase current reduced the engine. In particular, the critical switch-on peak is limited. Furthermore, it can be ensured by suitable control, that the consumer just over a short period of time is charged.

Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung des Ansteuersystems vorgestellt, das für einen vor gegeben Zeitraum oder abhängig von vorgebbaren Schwellwerten im Fehlerfall zunächst den ersten Schalter schließt und anschließend, z.B. nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums oder bei Erreichen/Überschreiten eines weiteren vorgebbaren Schwellwerts, den zweiten Schalter schließt. Entsprechend der vorstehenden Ausführungen können der erste Schalter und/oder der zweite Schalter auch wieder geöffnet werden, sei es nach Ablauf einer weiteren Zeitdauer oder bei Unterschreiten des entsprechenden Schwellwertes.to solution The object is further presented a method for driving the drive system, that for a given period of time or depending on predefinable thresholds in the event of a fault first closes the first switch and subsequently, e.g. after expiry of the specified period or on reaching / exceeding another predetermined threshold, the second switch closes. Corresponding the above statements can the first switch and / or the second switch also be reopened, be it after expiration of a further period of time or if it falls below the corresponding threshold.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert. Es zeigen:embodiments The invention are illustrated below with reference to the drawings and explained. Show it:

1 eine schematische Schaltungsskizze eines Ansteuersystems in Verbindung mit einem dreiphasigen permanent erregten Elektromotor; 1 a schematic circuit diagram of a drive system in conjunction with a three-phase permanently excited electric motor;

2 die um ein Schutzmodul VPM erweiterte 1; 2 which has been extended by a VPM protection module 1 ;

3 eine beispielhafte Realisierung des Schutzmoduls VPM; 3 an exemplary realization of the protection module VPM;

4 eine beispielhafte alternative Realisierung des Schutzmoduls VPM; 4 an exemplary alternative realization of the protection module VPM;

5 ein Signaldiagramm, das die Phasenströme nach Einleiten eines Kurzschlusses zeigt; 5 a signal diagram showing the phase currents after initiating a short circuit;

6 ein Signaldiagramm, das die Phasenströme bei verzögertem Schalten des Kurzschlusses zeigt. 6 a signal diagram showing the phase currents at delayed switching of the short circuit.

Zur Veranschaulichung des Zusammenhangs diene nachfolgend beispielhaft 2, die in weiten Teilen 1 entstammt. Lediglich die Messeinheit 46 führt ihr Messsignal einem hinzugekommenen Schutzmodul VPM zu. Anhand des Messsignals, ggf. auch anhand von intern in dem Schutzmodul ermittelten Signalen, wird insbesondere ein verlustbehaftetes Bauteil, z.B. ein Widerstand parallel zu einer zu einem Strang des Elektro motors in dem Schutzmodul vorgesehenen Halbbrücke geschaltet. Dadurch wird ein Kurzschlussstrom, insbesondere für eine vorgegebene Zeitdauer, begrenzt.To illustrate the context, serve as examples below 2 , in large parts 1 comes. Only the measuring unit 46 leads her measurement signal to an added protection module VPM. On the basis of the measurement signal, possibly also on the basis of signals detected internally in the protection module, in particular a lossy component, for example a resistor, is connected in parallel to a half bridge provided for a string of the electric motor in the protection module. This limits a short-circuit current, in particular for a predetermined period of time.

Ein Vorteil der schematischen Anordnung gemäß 2 im Vergleich zu der oben beschriebenen 1 besteht darin, dass einerseits als Motorsteuerung 34 eine konventionelle Steuerung ohne besondere Modifikationen einsetzbar ist und andererseits, dass in dem Schutzmodul VPM eine Beeinflussung, insbesondere eine Regelung, des Kurzschlussstroms stattfinden kann.An advantage of the schematic arrangement according to 2 compared to the one described above 1 is that on the one hand as a motor control 34 a conventional control without special modifications can be used and on the other hand, that in the protection module VPM influencing, in particular a control of the short-circuit current can take place.

3 zeigt eine schematische Schaltung für das Schutzmodul VPM. Ein Messsignal der Messeinheit 46 wird an das Schutzmodul VPM, dort an eine Schalteinheit 301, übermittelt. Der Elektromotor 26 umfasst drei Stränge A, B und C, deren jeder mit einem Mittelabgriff einer Halbbrückenanordnung aus jeweils zwei Dioden verbunden ist. Der Strang A ist mit der Halbbrückenanordnung aus einer Reihenschaltung der beiden Dioden D1 und D4 verbunden, wobei die Anode der Diode D1 mit der Kathode der Diode D4 und mit dem Strang A verbunden ist. Zwischen der Kathode der Diode D1 und der Anode der Diode D4 liegt die Schalteinheit 301. Die Halbbrückenanordnungen für die Stränge B und C sind entsprechend mit den Dioden D2 und D5 (Strang B) und D3 und D6 (Strang C) verbunden. Die Schalteinheit 301 weist eine Reihenschaltung aus einem Verbraucher, insbesondere einem Widerstand, und einem (elektronischen) Schalter auf. Dabei kann der Verbraucher durch verschiedene aktive und/oder passive Bauelemente ausgestaltet sein. 3 shows a schematic circuit for the protection module VPM. A measuring signal of the measuring unit 46 is to the protection module VPM, there to a switching unit 301 , transmitted. The electric motor 26 comprises three strands A, B and C, each of which is connected to a center tap of a half-bridge arrangement of two diodes each. The strand A is connected to the half-bridge arrangement of a series connection of the two diodes D1 and D4, wherein the anode of the diode D1 is connected to the cathode of the diode D4 and to the strand A. Between the cathode of the diode D1 and the anode of the diode D4 is the switching unit 301 , The half-bridge arrangements for strands B and C are respectively connected to diodes D2 and D5 (strand B) and D3 and D6 (strand C). The switching unit 301 has a series connection of a consumer, in particular a resistor, and an (electronic) switch. In this case, the consumer can be configured by various active and / or passive components.

Der elektronische Schalter in der Schalteinheit 301 wird vorzugsweise (aber nicht zwingend) anhand der Messeinheit 46 angesteuert falls ein Fehler in der Schaltung vorliegt, d.h. falls z.B. der Umrichter ausfällt. In solch einem Fall wird der Schalter geschlossen und Leistung fließt über den Verbraucher ab. Insbesondere wird dabei überschüssige Energie in Wärme verwandelt. Dies verhindert, dass ein zu hoher Kurzschlussstrom – insbesondere während des Einschaltvorgangs – fließt und den Permanentmagneten des Elektromotors dauerhaft schädigt.The electronic switch in the switching unit 301 is preferably (but not necessarily) based on the measuring unit 46 triggered if there is an error in the circuit, ie if, for example, the inverter fails. In such a case, the switch is closed and power flows through the load. In particular, excess energy is transformed into heat. This prevents too high a short-circuit current - in particular during the switch-on process - from flowing and permanently damaging the permanent magnet of the electric motor.

Eine weiterführende Ausgestaltung des Schutzmoduls VPM zeigt 4. Die Schalteinheit 301 umfasst eine Parallelschaltung aus einem elektronischen Schalters TH2 mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand R und einem elektronischen Schalter TH1. Vorzugsweise handelt es sich bei den elektronischen Schaltern TH1 und TH2 um Thyristoren. Oberhalb einer Betriebstemperatur von ca. 125°C werden vorzugsweise IGBTs anstatt der Thyristoren eingesetzt. Beide Schalter TH1 und TH2 werden über die Messeinheit 46 angesteuert. Dabei könnte die Messeinheit 46 auch Teil des Schutzmoduls VPM sein; die Auswertung der Messsignale und die bspw. zeitgesteuerte Ansteuerung der elektronischen Schalter kann bspw. innerhalb des logischen Blocks der Messeinheit 46 oder des Schutzmoduls VPM erfolgen.A further embodiment of the protection module VPM shows 4 , The switching unit 301 comprises a parallel connection of an electronic switch TH2 with a series circuit of a resistor R and an electronic switch TH1. Preferably, the electronic switches TH1 and TH2 are thyristors. Above an operating temperature of about 125 ° C preferably IGBTs are used in place of the thyristors. Both switches TH1 and TH2 are via the measuring unit 46 driven. It could be the measuring unit 46 also be part of the protection module VPM; the evaluation of the measurement signals and the example. Timed control of the electronic switch can, for example, within the logic block of the measuring unit 46 or the protection module VPM.

Im Fehlerfall wird zunächst der Schalter TH1 eingeschaltet, über den Widerstand fließt ein vorgegebener Strom, der geringer als der Kurzschlussstrom ist. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer oder aber bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts schaltet der Schalter TH2 ein. Somit wird vorteilhaft die Einschaltstromspitze reduziert und eine dauerhafte Schädigung des Elektromotors 26 verhindert.In the event of a fault, the switch TH1 is first switched on, via the resistor flows a predetermined current, which is lower than the short-circuit current. After a predetermined period of time or when a predetermined threshold value is reached, the switch TH2 switches on. Thus, before Partly reduces the inrush current and a permanent damage to the electric motor 26 prevented.

Bevorzugt wird der Widerstand R ausreichend klein ausgelegt, so dass der Kondensator 30 (siehe 2) nicht geladen wird; gleichzeitig soll der Widerstand R aber auch nicht zu klein sein, damit der Strom wirksam begrenzt werden kann.Preferably, the resistor R is made sufficiently small, so that the capacitor 30 (please refer 2 ) is not loaded; At the same time, however, the resistance R should not be too small, so that the current can be effectively limited.

5 zeigt ein Signaldiagramm, das die Phasenströme nach Einleiten eines Kurzschlusses zeigt. Zum Zeitpunkt 501 wird der Schalter TH2 eingeschaltet, der Kurvenverlauf 502 liegt deutlich über dem dargestellten Grenzwert 503 bzw. 504. 5 shows a signal diagram showing the phase currents after initiating a short circuit. At the time 501 the switch TH2 is turned on, the curve 502 is significantly above the limit shown 503 respectively. 504 ,

Einen Signalverlauf mit verzögertem Schalten zeigt 6. Zum Zeitpunkt 601 schaltet der Schalter TH1 (siehe Schaltbild und zugehörige Beschreibung von 4). Zu einem späteren Zeitpunkt 602 schaltet der Schalter TH2, d.h. das Schutzmodul VPM schließt die Halbbrückenanordnungen kurz. Die vorgegebenen Grenzwerte 603 und 604 werden nur unwesentlich überschritten, d.h. die Phasenströme sind gegenüber dem einfachen Kurzschließen, wie es in 5 gezeigt ist, deutlich reduziert.A waveform with delayed switching shows 6 , At the time 601 switches the switch TH1 (see wiring diagram and related description of 4 ). At a later time 602 switches the switch TH2, ie the protection module VPM closes the half-bridge assemblies short. The preset limits 603 and 604 are exceeded only insignificantly, ie the phase currents are compared to the simple short-circuiting, as in 5 shown is significantly reduced.

Claims (7)

Ansteuersystem für einen permanent erregten Elektromotor mit mindestens einem Strang, umfassend: – eine erste Halbbrückenanordnung (14, 16, 18) für jeden Strang (20, 22, 24; A, B, C) des Elektromotors (26); – einen Zwischenkreis (28), der die Halbbrückenanordnung (14, 16, 18) mit einer Motorversorgungsspannungsquelle (32) verbindet; – eine Motorsteuerung (34) zur Ansteuerung der Halbbrückenanordnung (14, 16, 18), wobei anhand der Motorsteuerung (34) an den jeweiligen der Halbbrückenanordnung (14, 16, 18) zugeordneten Strang (20, 22, 24; A, B, C) des Elektromotors (26) ein Potential vorgegebener Polarität für eine vorgegebene Zeitdauer anlegbar ist; – ein Schutzmodul (VPM), das mit dem mindestens einen Strang (20, 22, 24; A, B, C) des Elektromotors (26) verbunden ist, umfassend – eine zweite Halbbrückenanordnung (D1, D4; D2, D5; D3, D6) für jeden Strang (20, 22, 24; A, B, C) des Elektromotors (26) und – eine Reihenschaltung (301) aus einem ersten Schalter (TH1) und einem Verbraucher (R), welche Reihenschaltung parallel zu der zweiten Halbbrückenanordnung (D1, D4; D2, D5; D3, D6) vorgesehen ist, wobei in einem Fehlerfall der erste Schalter (TH1) einschaltbar ist.Drive system for a permanently excited electric motor with at least one strand, comprising: - a first half-bridge arrangement ( 14 . 16 . 18 ) for each strand ( 20 . 22 . 24 ; A, B, C) of the electric motor ( 26 ); - a DC link ( 28 ), the half-bridge arrangement ( 14 . 16 . 18 ) with a motor supply voltage source ( 32 ) connects; A motor control ( 34 ) for driving the half-bridge arrangement ( 14 . 16 . 18 ), based on the engine control ( 34 ) at the respective one of the half-bridge arrangement ( 14 . 16 . 18 ) associated strand ( 20 . 22 . 24 ; A, B, C) of the electric motor ( 26 ) a potential of predetermined polarity for a predetermined period of time can be applied; A protection module (VPM) connected to the at least one strand ( 20 . 22 . 24 ; A, B, C) of the electric motor ( 26 ), comprising - a second half-bridge arrangement (D1, D4; D2, D5; D3, D6) for each strand ( 20 . 22 . 24 ; A, B, C) of the electric motor ( 26 ) and - a series circuit ( 301 ) of a first switch (TH1) and a consumer (R), which series circuit is provided parallel to the second half-bridge arrangement (D1, D4, D2, D5, D3, D6), wherein in an error case, the first switch (TH1) is switched on , Ansteuersystem nach Anspruch 1, bei dem das Schutzmodul (VPM) einen zweiten Schalter (TH2) umfasst, der parallel zu der zweiten Halbbrückenanordnung (D1, D4; D2, D5; D3, D6) vorgesehen ist.Drive system according to claim 1, wherein the protection module (VPM) comprises a second switch (TH2) parallel to the second half-bridge arrangement (D1, D4, D2, D5, D3, D6) is provided. Ansteuersystem nach Anspruch 2, bei dem das Schutzmodul (VPM) im Fehlerfall nach einer vorgebbaren Zeitdauer oder bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes den zweiten Schalter (TH2) schließt.Drive system according to claim 2, wherein the protection module (VPM) in the event of a fault after a specifiable period of time or when exceeded a predetermined threshold closes the second switch (TH2). Ansteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Schalter (TH1) und/oder der zweite Schalter (TH2) mindestens eines der folgenden Bauelemente umfasst: – einen Halbleiterschalter; – einen Thyristor; – einen IGBT; – einen Transistor.Drive system according to one of the preceding claims, at the first switch (TH1) and / or the second switch (TH2) at least one of the following components comprises: - one Semiconductor switches; - one thyristor; - one IGBT; - one Transistor. Ansteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Fehlerfall mindestens einen der folgenden Fälle umfasst: – Ein Abfall oder ein Ausfall der Motorversorgungsspannung; – Einen Kurzschlussfehler, insbesondere im Bereich des Motors; – Ein Ansteigen einer Spannung an dem Zwischenkreis oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts; – Fehler im Bereich der ersten oder zweiten Halbbrückenanordnung.Drive system according to one of the preceding claims, at the error case includes at least one of the following cases: - a waste or a failure of the motor supply voltage; - One Short-circuit fault, especially in the area of the motor; - An increase a voltage at the intermediate circuit above a predetermined limit; - Error in the region of the first or second half-bridge arrangement. Ansteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Fehlerfall anhand einer Messeinheit (46) ermittelbar ist, wobei die Messeinheit mit dem Schutzmodul (VPM) verbunden oder als Teil des Schutzmoduls (VPM) ausgeführt ist.Drive system according to one of the preceding claims, in which the fault is determined by means of a measuring unit ( 46 ), wherein the measuring unit is connected to the protection module (VPM) or as part of the protection module (VPM). Verfahren zur Ansteuerung des Ansteuersystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Method for controlling the drive system according to one of the preceding claims.
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