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Dokumentenidentifikation DE102006018053A1 31.10.2007
Titel Ansteuersystem für eine elektrische Maschine
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70327 Stuttgart, DE
Erfinder Rehm, Lothar, Dipl.-Ing., 71083 Herrenberg, DE;
Raumer, Thomas von, Dr., 70565 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 19.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006018053
Offenlegungstag 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse H02H 7/093(2006.01)A, F, I, 20060419, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische Maschine (1) und ein Verfahren hierzu. Wenn ein Funktionsrechner (3) und/oder ein Überwachungsrechner (4) des Ansteuersystems einen Fehler erkennt, wird die elektrische Maschine (1) abgeschaltet.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Bremsmoment einer abgeschalteten und noch drehenden elektrischen Maschine (1) zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird zur Abschaltung der elektrischen Maschine (1) ein Dreiphasenkurzschluss der Endstufe (2) durchgeführt, falls die Drehzahl D1 einen festlegbaren Grenzwert GR1 nicht unterschreitet oder eine Spannung U_DC der Endstufe (2) einen Grenzwert Umax überschreitet, und anderenfalls, wenn die Drehzahl D1 unterhalb des festlegbaren Grenzwerts GR1 liegt und eine Spannung U_DC der Endstufe (2) einen Grenzwert Umax nicht überschreitet, werden zur Abschaltung der elektrischen Maschine (1) alle Leistungsschalter (2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3) der Endstufe (2) geöffnet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische Maschine nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Steuerung einer permanenterregten elektrischen Maschine nach Anspruch 4.

Aus der DE 102 05 963 A1 ist ein Verfahren und Ansteuersystem zum Ansteuern einer permanenterregten Maschine bekannt, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine Halbbrückenanordnung mit einem ersten und einem zweiten Schaltelement zur Stromversorgung über einen Zwischenkreis zugeordnet ist. Es wird ein Betriebszustand eines Ansteuersystems überwacht und mit einem Schwellwert verglichen. Bei Überschreiten des Schwellwertes wird ein Fehlerzustand detektiert und ein Kurzschluss zwischen den Phasen der elektrischen Maschine erzeugt.

Permanenterregte elektrische Maschinen werden beispielsweise als Fahrzeugantriebsmotoren eingesetzt, die bei Hybridantriebssystemen elektrische Energie aus einer Energieversorgung empfangen. Die Energieversorgung erfolgt z.B. durch eine über einen Stromrichter und einen Zwischenkreis angeschlossene Batterie, bei vollelektrisch betriebenen Fahrzeugen durch eine so genannte Traktionsbatterie oder durch einen durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Generator.

Bei permanenterregten elektrischen Maschinen besteht aufgrund ihres Aufbaus das grundsätzliche Problem, dass wegen der im Betrieb auftretenden Relativbewegung zwischen den Ankerwicklungen und den Permanentmagneten eine als Polradspannung bekannte Gegenspannung in den Ankerwicklungen induziert wird. Diese induzierte Spannung steigt mit zunehmender Drehzahl an und kann den Betrag der Versorgungsspannung der elektrischen Maschine erreichen und überschreiten. Treten bei derartigen Antriebssystemen mit permanenterregten elektrischen Maschinen Fehler auf, wie zum Beispiel der Ausfall einer Ansteuerelektronik für die Vornahme einer Feldschwächung oder ein Wicklungsschluss, so führt dies zu einer Rückspeisung von elektrischer Energie von der elektrischen Maschine in die Energieversorgung. Dadurch kann ein Bremsmoment erzeugt werden, dass für den Betrieb der elektrischen Maschine in einem Fahrzeug unerwünscht ist. Auch bei niedrigen Drehzahlen können solche Bremsmomente erzeugt werden, z.B. durch einen von einem erkannten Fehler ausgelösten Dreiphasenkurzschluss.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Bremsmoment einer abgeschalteten und noch drehenden elektrischen Maschine zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ansteuersystem für eine elektrische Maschine gelöst, bei dem zur Abschaltung der elektrische Maschine ein Dreiphasenkurzschluss der Endstufe durch kurzschließen der drei oberen Leistungsschalter oder der drei unteren Leistungsschalter durchführbar ist, wenn die Drehzahl D1 einen festlegbaren Grenzwert GR1 nicht unterschreitet oder eine Spannung U_DC der Endstufe einen Grenzwert Umax überschreitet.

Dabei werden als Leistungsschalter die Schaltelemente der Endstufe bezeichnet.

Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass ein Dreiphasenkurzschluss nur unter solchen Randbedingungen durchgeführt wird, bei denen kein störendes Bremsmoment auftreten kann. Bei einem Dreiphasenkurzschluss einer permanenterregten elektrischen Maschine wird bei höheren Drehzahlen (im Bereich oberhalb von mehreren hundert Umdrehungen pro Minute) kein nennenswertes Bremsmoment erzeugt. Darüber hinaus werden Beschädigungen von Bauteilen wie Batterie, Stromrichter und dessen Halbleiterbauelementen, vermieden.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind zur Abschaltung der elektrischen Maschine alle Leistungsschalter der Endstufe öffenbar, wenn die Drehzahl D1 unterhalb des Grenzwertes GR liegt und eine Spannung U_DC der Endstufe einen Grenzwert Umax unterschreitet.

Bei einem Dreiphasenkurzschluss einer permanenterregten elektrischen Maschine wird bei sehr kleinen Drehzahlen (im Bereich kleiner einige hundert Umdrehungen pro Minute) ein störendes Bremsmoment erzeugt. Eine Abschaltung der elektrischen Maschine durch Öffnen aller Leistungsschalter der Endstufe ist bei niedrigen Drehzahlen hingegen ohne störendes Bremsmoment durchführbar. Dies hat den Vorteil, dass eine Abschaltung der elektrischen Maschine ohne störendes Bremsmoment auch dann durchgeführt werden kann, wenn die Randbedingungen für die Durchführung eines bremsmomentarmen Dreiphasenkurzschlusses nicht vorliegen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Schaltungsskizze eines erfindungsgemäßen Ansteuersystems in Verbindung mit einer permanenterregten elektrischen Maschine,

2 eine beispielhafte Darstellung einer drehzahlabhängigen Fehlerreaktion und des zugehörigen Bremsmoments.

1 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ansteuersystems.

Die elektrische Maschine 1 ist mit einer Endstufe 2 verbunden. Die Endstufe 2 kann als Umrichter bzw. als Stromrichter ausgebildet sein. Die dargestellte Endstufe 2 weist drei obere Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3 und drei untere Schaltelemente 2u1, 2u2, 2u3 auf. Die Schaltelemente sind typischerweise als Leistungsschalter ausgebildet. Diese Schaltelemente bilden drei Halbbrückenanordnungen die aus jeweils zwei der Schaltelementen 2o1, 2u1; 2o2, 2u2 und 2o3, 2u3 gebildet werden und jeweils eine der drei Phasen der elektrischen Maschine 1 ansteuern.

Die Endstufe 2 ist über einen, in 1 nicht dargestellten. Hauptschütz mit einer, ebenfalls in 1 nicht dargestellten, Versorgungseinrichtung der elektrischen Maschine 1 (z.B. einer Batterie) verbunden. Die Versorgungseinrichtung versorgt die Endstufe 2 mit einer Versorgungsspannung U_DC. Über den Hauptschütz kann die Versorgungseinrichtung ein- und ausgeschaltet werden.

Die Endstufe 2 ist mit einem Logikbaustein 5 verbunden und wird von diesem angesteuert. Außerdem gibt die Endstufe 2 Informationen über die Versorgungsspannung U_DC und Informationen über eine korrekte Umsetzung eines Dreiphasenkurzschlusses an den Logikbaustein 5 weiter. Ebenso können Informationen über eine korrekte Umsetzung einer Öffnung der Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2 oder 2u3 oder über eine Spannung U_CE eines Schaltelements 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2 oder 2u3 an den Logikbaustein 5 weitergegeben werden.

Der Logikbaustein 5 ist mit einem Funktionsrechner 3 und einem Überwachungsrechner 4 verbunden und erhält von diesen Daten. Der Funktionsrechner 3 und der Überwachungsrechner 4 sind ebenfalls miteinander verbunden und tauschen miteinander Daten aus. Dabei überwacht der Überwachungsrechner 4 den fehlerfreien Betrieb des Funktionsrechners 3.

Der Funktionsrechner 3 erhält die Informationen eines Drehzahlsensors 6, welcher bevorzugt eine Drehzahl D1 der elektrischen Maschine 1 erfasst.

Darüber hinaus können ein oder mehrere weitere Drehzahlsensoren 7 zur Erfassung einer oder mehrerer Drehzahlen D2 vorgesehen sein. Beispielsweise kann als Drehzahl D2 ebenfalls die Drehzahl der elektrischen Maschine 1 erfasst werden. Ebenso kann eine Drehzahl eines mit der elektrischen Maschine 1 verbundenen Getriebes, eine Raddrehzahl eines Fahrzeugrades oder eine andere relevante Drehzahl erfasst werden. Bevorzugt ist als Drehzahlsensor 7 ein Raddrehzahlsensor eines Fahrzeugrades eines elektronischen Stabilitätsprogramms vorgesehen.

In 1 ist der Drehzahlsensor 7 mit dem Funktionsrechner 3 verbunden. Über diese Verbindung erhält der Funktionsrechner 3 Informationen des Drehzahlsensors 7 über die erfasste Drehzahl D2.

Der Funktionsrechner 3 weist einen Bereich 8 auf. Dieser Bereich 8 wird bei einem Zwei-Ebenen-Überwachungssystem oder einem Drei-Ebenen-Überwachungssystem als erste Ebene bezeichnet. In diesem Fall wird die erste Ebene von einer zweiten Ebene und ggf. einer dritten Ebene überwacht. In dem Bereich 8 des Funktionsrechners 3 werden die aktuellen Ansteuersignale zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 1 berechnet. Diese Ansteuersignale werden von dem Bereich 8 des Funktionsrechners 3 an einen Schalter 10 des Logikbausteins 5 weitergegeben.

Der Schalter 10 des Logikbausteins 5 gibt die Ansteuersignale über eine Steuerleitung an einen Schalter 14 des Logikbausteins 5 weiter. Der Schalter 14 des Logikbausteins 5 gibt die Ansteuersignale über eine Steuerleitung an einen Schalter 16 des Logikbausteins 5 weiter. Der Schalter 16 des Logikbausteins 5 gibt die Ansteuersignale über eine Steuerleitung an die Endstufe 2 weiter. Die Endstufe 2 stellt ihre Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 nach Maßgabe der Ansteuersignale ein und steuert die elektrische Maschine 1 entsprechend den Ansteuersignalen an.

Der Funktionsrechner 3 ist über einen Abschaltpfad mit einem Element 9 des Logikbausteins 5 verbunden. Dabei wird als Abschaltpfad eine Verbindung bezeichnet, über die wahlweise ein Freigabesignal oder ein Abschaltsignal weitergegeben werden kann.

Der Überwachungsrechner 4 ist ebenfalls über einen Abschaltpfad mit dem Element 9 des Logikbausteins 5 verbunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Abschaltsignal als spannungsfreier Defaultzustand vorgesehen. Wird durch einen Fehler kein Signal vom Funktionsrechner 3 oder von Überwachungsrechner 4 an den Logikbaustein 5 übertragen, so interpretiert der Logikbaustein 5 dies als Abschaltsignal.

Das Element 9 ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform als ein „logisches UND" ausgebildet. Element 9 kann wie alle Elemente des Logikbausteins 5 als ein Elektronikbauteil, als eine Struktur innerhalb eines Logikbausteins oder mittels einer Software dargestellt werden. Empfängt das „logische UND" 9 sowohl vom Funktionsrechner 3 als auch vom Überwachungsrechner 4 ein Freigabesignal, so gibt es ein Freigabesignal an den Schalter 10 weiter, ansonsten gibt es ein Abschaltsignal weiter.

In einer alternativen Ausführungsform ist das Element 9 als ein „logisches ODER" oder dergleichen ausgeführt. In diesem Falle gibt das Element 9 dann ein Abschaltsignal an den Schalter 10, wenn es vom Funktionsrechner 3 oder vom Überwachungsrechner 4 oder von beiden ein Abschaltsignal erhält.

Empfängt der Schalter 10 ein Abschaltsignal vom Element 9, so schaltet er um und unterbricht so die Weitergabe der von Bereich 8 der Funktionsrechners 3 berechneten Ansteuersignale. Anstatt der Ansteuersignale von Bereich 8 werden nunmehr die Ansteuersignale eines Elements 11 des Logikbausteins 5 weitergegeben. Dabei handelt es sich bei dem Element 11 typischerweise um einen permanenten Speicher, in dem die Ansteuersignale für einen Dreiphasenkurzschluss fest hinterlegt sind.

Diese Ansteuersignale des Elements 11 werden über den Schalter 10 in die Steuerleitung eingespeist und über Schalter 14 und Schalter 16 an die Endstufe 2 weitergegeben.

Die Endstufe 2 stellt ihre Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 nach Maßgabe der Ansteuersignale für einen Dreiphasenkurzschluss ein und erzeugt so einen Dreiphasenkurzschluss der elektrische Maschine 1.

Dabei können die Ansteuersignale einen Dreiphasenkurzschluss der Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3 oder der Schaltelemente 2u1, 2u2, 2u3 vorsehen. Auch kann vorgesehen sein, auf die jeweils andere Variante eines Dreiphasenkurzschlusses zu wechseln, wenn Informationen über den Betriebszustand der Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 den Schluss zulassen, dass der gewählte Dreiphasenkurzschluss nicht fehlerfrei durchgeführt werden kann oder durchgeführt wurde.

Der Schalter 14 ist mit einem Element 19 verbunden. Das Element 19 ist eine Logik, die bei Vorliegen festgelegter Eingangsdaten ein Abschaltsignal an den Schalter 14 sendet. Dabei bewirkt das Abschaltsignal, dass der Schalter 14 in einen Schaltzustand geschaltet wird, in dem er ihm zugeordnete Ansteuersignale zum Öffnen aller Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 der Endstufe 2 zur Abschaltung der elektrischen Maschine 1 weitergeben kann.

Das Element 19 ist über ein Element 20 mit dem Drehzahlsensor 6 verbunden. Das Element 20 erhält vom Drehzahlsensor 6 Informationen über die vom Drehzahlsensor 6 erfasste Drehzahl D1. Bei der Drehzahl D1 handelt es sich bevorzugt um eine Drehzahl der elektrischen Maschine 1. Das Element 20 überprüft, ob die Drehzahl D1 unter einem Grenzwert GR1 liegt. In einer Ausführungsform gibt in das Element 20 ein Signal an das Element 19 weiter, wenn dies der Fall ist.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird überprüft, ob der Drehzahlsensor 6 und die Signalübertragung des Wertes für D1 fehlerfrei arbeiten. In 1 ist diese Prüfung in einem Element 18 angeordnet. Dabei wertet Element 19 die vom Element 20 zugeführte Information über die Drehzahl D1 des Sensors 6 nur dann aus, wenn zusätzlich das Element 18 an das Element 19 signalisiert, dass der Drehzahlsensor 6 und die Signalübertragung des Wertes für D1 fehlerfrei arbeiten.

Ist dies nicht der Fall, so kann in einer Weiterbildung ersatzweise ein fest hinterlegter Drehzahlwert angenommen werden.

In der in der 1 dargestellten Ausführungsform ist das Element 19 über ein Element 17 mit dem Funktionsrechner 3 verbunden. Das Element 17 erhält vom Funktionsrechner 3 eine Drehzahlinformation D2 eines zusätzlichen Sensors 7. Dabei kann das Element 17, alternativ zur in 1 dargestellten Ausführungsform, auch im Funktionsrechner 3 angeordnet sein.

In einer Weiterbildung gibt das Element 17 nur dann ein Signal and das Element 19 weiter, wenn die Drehzahlinformation D2 den Grenzwert GR2 unterschreitet. In einer alternativen vereinfachten Ausführungsform gibt das Element 19 ein Signal an das Element 14 weiter, wenn dies der Fall ist.

In einer Weiterbildung dieser alternativen Ausführungsform wird die von dem zusätzlichen Drehzahlsensor 7 dem Funktionsrechner 3 zugeführte Drehzahlinformation D2 durch die von dem Drehzahlsensor 6 dem Funktionsrechner 3 zugeführte Drehzahlinformation D1 ersetzt, wenn der Funktionsrechner 3 einen Fehler des Drehzahlsensors 7 oder der Datenübertragung des Drehzahlsensors 7 erkennt. In diesem Fall gibt Element 17 entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung nur dann ein Signal an das Element 19 weiter, wenn die im Funktionsrechner 3 erfasste Drehzahlinformation D1 den Grenzwert GR1 unterschreitet.

In einer bevorzugten Ausführungsform gibt in das Element 19 dann ein Signal an das Element 14 weiter, wenn die Elemente 17 und 20 jeweils eine Grenzwertunterschreitung erkennen und keine Informationen über eine fehlerhafte Erfassung oder Übertragung der grenzwert unterschreitenden Signale vorliegen.

Die Ansteuersignale, die der Schalter 10 über die Steuerleitung an den Schalter 14 weitergibt, werden auch an ein Element 12 weitergegeben. Anhand der Ansteuersignale von Schalter 10 erkennt das Element 12, ob ein Dreiphasenkurzschluss ausgelöst werden soll. Das Element 12 gibt diese Informationen an den Funktionsrechner 3 und an das Element 19 des Logikbausteins 5 weiter.

Das Element 12 ist außerdem mit der Endstufe 2 verbunden und erhält von dieser Informationen über deren Betriebszustand bzw. den Betriebszustand ihrer Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3. Typischerweise wird dabei übermittelt, ob eine Spannung U_CE der Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 einen zulässigen Wert einnimmt. Anhand der Informationen von der Endstufe 2 erkennt das Element 12, ob die Endstufe 2 einen Dreiphasenkurzschluss der elektrischen Maschine 1 erzeugt. Liegt ein ordnungsgemäß durchgeführter Dreiphasenkurzschluss vor, so gibt das Element 12 diese Informationen an den Funktionsrechner 3 und an ein Element 19 des Logikbausteins 5.

Liegt ein fehlerhaft durchgeführter Dreiphasenkurzschluss vor, so ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, die Variante des Dreiphasenkurzschlusses von Kurzschluss der Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3 auf Kurzschluss der Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 oder umgekehrt zu wechseln.

In der in 1 dargestellten Ausführungsform sendet das Element 19 ein Abschaltsignal an Schalter 14, falls das Element 19 die Information erhält, dass der Funktionsrechner 3 über das Element 17 eine Drehzahl D2 bzw. D1 unterhalb des ihr zugeordneten Grenzwertes GR2 bzw. GR1 erkannt hat und das Element 12 einen Dreiphasenkurzschluss der Endstufe 2 und kein Anliegen eines Abschaltsignals von Element 9 an Schalter 10 erkannt hat. Hier ist anhand der in Element 19 vorliegenden Signale davon auszugehen, dass der Funktionsrechner 3 fehlerfrei arbeitet. Daher kann dem über das Element 17 weitergegebenen Signal vertraut werden und bei Unterschreitung der Grenzwertes GR2 bzw. GR1 durch D2 bzw. D1 die Umschaltung auf offene Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 durch senden eines Abschaltsignals an Schalter 14 initiiert werden. Dieses Verhalten kann genutzt werden, um einen Abschaltbefehl der von einem externen Steuergerät zugeführt wird und nicht auf einer Fehlererkennung des Funktionsrechners 3 oder des Überwachungsrechners 4 beruht in das Verfahren einzubinden. Damit ist es möglich auch für einen externen Abschaltbefehl drehzahlabhängig und/oder abhängig von einer Spannung U_DC einen Dreiphasenkurzschluss oder eine Abschaltung der elektrischen Maschine durch Öffnen aller Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 auszulösen.

In der in 1 dargestellten Ausführungsform sendet das Element 19 ein Abschaltsignal an Schalter 14, falls das Element 19 die Information erhält, dass das Element 20 die Drehzahl D1 als unterhalb des ihr zugeordneten Grenzwertes GR1 liegend erkannt hat und das Element 12 einen Dreiphasenkurzschluss der Endstufe 2 und das Anliegen eines Abschaltsignals von Element 9 an Schalter 10 erkannt hat. Liegt ein Abschaltsignal von Element 9 an Schalter 10 an, so kann den Daten vom Funktionsrechner 3 und von Überwachungsrechner 4 nicht mehr vertraut werden. Daher ist es in diesem Fall sinnvoll, das von dem Funktionsrechner 3 an das Element 17 weitergegebene Drehzahlsignal nicht zu verwenden, sondern auf das direkt vom Sensor 6 an den Logikbaustein 5 weitergegebene Drehzahlsignal D1 zu vertrauen.

In diesem zuletzt dargestellten Fall muss in der in 1 dargestellten Ausführungsform zusätzlich das Element 18 an das Element 19 signalisieren, dass der Sensor 6 fehlerfrei arbeitet. Ist dies nicht der Fall, so kann ersatzweise ein fest hinterlegter Drehzahlwert angenommen werden. Dies gilt auch für den Fall, dass das Element 17 ersatzweise auf die Drehzahl D1 ausgewichen ist und Element 18 einen Fehler des Sensors 6 erkennt.

Empfängt der Schalter 14 ein Abschaltsignal vom Element 19, so schaltet er um und unterbricht so die Weitergabe der von Element 10 kommenden Ansteuersignale. Anstatt dieser Ansteuersignale werden nunmehr die Informationen eines Elements 13 des Logikbausteins 5 weitergegeben. Dabei handelt es sich bei dem Element 13 typischerweise um einen permanenten Speicher, in dem die Ansteuersignale für eine Öffnung aller Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 der Endstufe 2 fest hinterlegt sind.

Diese Ansteuersignale des Elements 13 werden über den Schalter 14 in die Steuerleitung eingespeist und über Schalter 16 an die Endstufe 2 weitergegeben. Die Endstufe 2 öffnet ihre Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 nach Maßgabe der ihr zugeführten Ansteuersignale Betriebsparameter und steuert so die elektrische Maschine 1 an.

Die Informationen, die der Schalter 14 über die Steuerleitung an den Schalter 16 weitergibt, werden auch an ein Element 21 weitergegeben. Anhand der Informationen von Schalter 14 erkennt das Element 21, ob alle Schaltelemente 2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3 geöffnet werden soll. Diese Information gibt das Element 21 an den Funktionsrechner 3 weiter.

Die Endstufe 2 gibt Informationen über die an ihr anliegende Spannungen U_CE an ein Element 22 weiter. Element 22 ist ein Vergleicher der den zugeführten Wert für die Spannung U_CE mit einem Wert Umax vergleicht und ein Abschaltsignal an den Schalter 16 weitergibt, wenn U_CE größer als Umax ist.

Erhält der Schalter 16 von Element 22 ein Abschaltsignal, so schaltet er um und unterbricht so die Weitergabe der von Element 14 kommenden Ansteuersignale. Anstatt dieser Ansteuersignale werden nunmehr die Ansteuersignale eines Elements 15 des Logikbausteins 5 weitergegeben. Dabei handelt es sich bei dem Element 15 typischerweise um einen permanenten Speicher, in dem die Ansteuersignale für einen Dreiphasenkurzschluss der Endstufe 2 fest hinterlegt sind.

In 2 ist beispielhaft dargestellt, wie sich eine erfindungsgemäße drehzahlabhängige Fehlerreaktion auf das Bremsmoment auswirkt.

2 zeigt schematisch den Verlauf der Betriebsspannung U_DC, der induzierten Spannungen U_ind und des induzierten Bremsmoments M_ind einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der zwischen Spannungsversorgung und Endstufe 2 angeordnete Hauptschütz geschlossen ist, d.h. die Endstufe 2 mit einer konstanten Spannung U_DC versorgt wird. Wie zu entnehmen steigt dabei die induzierte Spannung U_ind proportional zur Drehzahl.

In dem in 2 dargestellten Beispiel arbeitet die Drehzahlerfassung von D1 ordnungsgemäß, d.h. unterhalb des Drehzahlgrenzwertes GR1 erfolgt die Abschaltung der elektrischen Maschine 1 durch Öffnen aller Leistungsschalter, ab der Grenzdrehzahl durch Dreiphasenkurzschluss. Durch den Dreiphasenkurzschluss wird bei höheren Drehzahlen (> GR1) nur eine geringes Bremsmoment induziert.

Bei niedrigen Drehzahlen wird, wie gepunktet eingezeichnet, bei einem Dreiphasenkurzschluss ein starkes Bremsmoment erzeugt. Ursache dafür ist der Kurzschlussstrom in der elektrischen Maschine 1.

Wird bei niedrigen Drehzahlen (<GR1) über offene Leistungsschalter abgeschaltet, so sinkt das Bremsmoment. In diesem Bereich ist die induzierte Spannung geringer als die Versorgungsspannung U_DC. Es gibt daher keinen Stromfluss von U_ind nach U_DC, der ein nennenswertes Bremsmoment M_ind erzeugen könnte. Daraus ergibt sich auch, dass der Grenzwert GR1 (und entsprechend der Grenzwert GR2) sinnvollerweise in einem Drehzahlbereich liegt, in dem Uind kleiner als U_DC ist.

Weiterhin ist ein Spannungsgrenzwert Umax vorgesehen, bei dessen Überschreitung die Abschaltung der elektrischen Maschine 1 in jedem Fall auf einen Dreiphasenkurzschluss umgeschaltet wird. Dies stellt einen Schutz der elektrischen Maschine gegen eine zu hohe Versorgungsspannung U_DC dar. Damit ist die elektrische Maschine 1 und die Endstufe 2 unabhängig von einer fehlerhaften Drehzahlerkennung vor einer, bei abgeschaltetem Spannungsversorger ggf. auch induktiv erzeugten, zu hohen Versorgungsspannung geschützt.


Anspruch[de]
Ansteuersystem für eine permanenterregte elektrische Maschine (1),

mit

– einem Funktionsrechner (3),

– einem Überwachungsrechner (4),

– einem programmierbaren Logikbaustein (5),

– einem Drehzahlsensor (6) zur Erfassung einer Drehzahl D1 der elektrischen Maschine (1) und

– einer abschaltbaren Endstufe (2) mit drei oberen Leistungsschaltern (2o1, 2o2, 2o3) und drei unteren Leistungsschaltern (2u1, 2u2, 2u3),

wobei eine Abschaltung der elektrischen Maschine (1) durchführbar ist, wenn der Funktionsrechner (3) oder der Überwachungsrechner (4) einen Fehler erkennt,

dadurch gekennzeichnet, dass

zur Abschaltung der elektrische Maschine (1) ein Dreiphasenkurzschluss der Endstufe (2) durch kurzschließen der drei oberen Leistungsschalter (2o1, 2o2, 2o3) oder der drei unteren Leistungsschalter (2u1, 2u2, 2u3) durchführbar ist, wenn die Drehzahl D1 einen festlegbaren Grenzwert GR1 nicht unterschreitet oder eine Spannung U_DC der Endstufe (2) einen Grenzwert Umax überschreitet.
Ansteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschaltung der elektrische Maschine (1) alle Leistungsschalter (2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3) der Endstufe (2) öffenbar sind, wenn die Drehzahl D1 unterhalb des Grenzwertes GR1 liegt und eine Spannung U_DC der Endstufe (2) einen Grenzwert Umax nicht überschreitet. Ansteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher Drehzahlsensor (7) zur Erfassung einer Drehzahl D2 vorgesehen ist. Verfahren zur Steuerung einer permanenterregten elektrischen Maschine (1), bei dem eine Abschaltung der elektrischen Maschine (1) durchgeführt wird, wenn ein Funktionsrechner (3) einen Fehler des Funktionsrechners (3) oder ein Überwachungsrechner (4) einen Fehler des Funktionsrechners (3) oder des Überwachungsrechners (4) erkennt,

dadurch gekennzeichnet, dass

– eine Drehzahl D1 der elektrischen Maschine (1) von einer separaten Logik (5) überwacht wird und mit einem Grenzwert GR1 verglichen wird, und,

– ein Dreiphasenkurzschluss der Leistungsschalter (2o1, 2o2, 2o3) oder der Leistungsschalter (2u1, 2u2 und 2u3) ausgelöst wird, wenn die Drehzahl D1 nicht unterhalb des Grenzwertes GR1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung der Endstufe (2) von einem Dreiphasenkurzschluss auf geöffnete Leistungsschalter (2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3) erfolgt, wenn die Drehzahl D1 des Drehzahlsensors (6) den Grenzwert GR1 unterschreitet. Verfahren zur Steuerung einer permanenterregten elektrischen Maschine (1), bei dem eine Abschaltung der elektrischen Maschine (1) durchgeführt wird, wenn ein Funktionsrechner (3) einen nicht im Funktionsrechner (3) verursachten Fehler erkennt,

dadurch gekennzeichnet, dass

– eine von einem Drehzahlsensor (7) erfasste Drehzahl D2 von dem Funktionsrechner (3) überwacht wird, und

– ein Dreiphasenkurzschluss der Leistungsschalter (2o1, 2o2, 2o3) oder der Leistungsschalter (2u1, 2u2 und 2u3) der Endstufe (2) ausgelöst wird, wenn die Drehzahl D2 nicht unterhalb des Grenzwertes GR2 liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung der Endstufe (2) von einem Dreiphasenkurzschluss auf geöffnete Leistungsschalter (2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2us, 2u3) erfolgt, wenn die Drehzahl D2 des Drehzahlsensors (7) den Grenzwert GR2 unterschreitet. Verfahren nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Umschaltung der Endstufe (2) von einem Dreiphasenkurzschluss auf geöffnete Leistungsschalter (2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2us, 2u3) erfolgt, wenn

– eine Auswertung des Drehzahlsignals D2 nicht möglich ist und

– eine Auswertung der Drehzahl D1 des Drehzahlsensors (6) im Funktionsrechner (3) eine Unterschreitung des Grenzwertes GR1 erkennt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung der Endstufe (2) auf Dreiphasenkurzschluss erfolgt, wenn eine Spannung U_DC der Endstufe (2) einen Wert U_max überschreitet. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltung der Endstufe (2) beendet wird, wenn die Spannung U_DC der Endstufe (2) den Wert U_max wieder unterschreitet und aktuell keine Abschaltung angefordert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltzustand der Leistungsschalter (2o1, 2o2, 2o3, 2u1, 2u2, 2u3) der Endstufe (2) von dem Logikbaustein (5) an den Funktionsrechner (3) übermittelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückmeldung von einem Element (12) des Logikbausteins (5) an den Funktionsrechner (3) erfolgt, ob ein Dreiphasenkurzschluss angefordert und durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten der elektrischen Maschine (1) ein Abschaltpfadtest durchgeführt wird, bei dem die korrekte Abschaltung und der Wechsel des Abschaltpfades bei verschiedenen Drehzahlen getestet wird.






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