WO2018210453A1 - Device and method for the spectral control of a direct voltage converter - Google Patents
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- WO2018210453A1 WO2018210453A1 PCT/EP2018/025047 EP2018025047W WO2018210453A1 WO 2018210453 A1 WO2018210453 A1 WO 2018210453A1 EP 2018025047 W EP2018025047 W EP 2018025047W WO 2018210453 A1 WO2018210453 A1 WO 2018210453A1
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Definitions
- control method is preferably performed within one clock period or a predetermined multiple of a clock period and repeated at a regular repetition rate according to said clock.
- Power electronics such that spectral properties, d. H. Amplitudes of respective frequencies, an output voltage or an error signal of the output voltage of the power electronics are adjusted according to a predetermined requirement. For this purpose, it is provided in particular that in a respective spectrum of a
- Error signal, d. H. a distortion of the output voltage of the power electronics, which arises or by a change of switching states of the power electronics, at least one spectral gap is generated.
- gaps are typical, for example, notch and band-stop filter, as they are particularly in the low-power
- Signal electronics are used, and correspond to greatly reduced amplitudes in a respective selected frequency range.
- Power semiconductors of the power electronics adapt that is selected from the number of possible switching states of the power electronics that switching state that changes a spectrum of the error signal of the output voltage of the power electronics compared to a current switching state of the power electronics such that a selected range attenuated by a certain factor, d. H. is reduced in amplitude and, as a result, an influence of corresponding frequencies of the selected range is reduced to other electronic devices, in particular minimized.
- a frequency spectrum of corresponding error signal is calculated or simulated. Starting from the simulated
- Frequency spectra of the number of switching states can that switching state of
- Power electronics are selected that best meets a respective requirement, that causes an error signal of an output voltage of the power electronics, which corresponds in its spectral characteristics of the requirement or shows a minimum deviation from the requirement of all alternative switching states.
- the power electronics can be adjusted accordingly, ie the respective power semiconductors of the power electronics can be switched accordingly, whereby an average switching rate of the power semiconductors is adjusted simultaneously.
- the presented method makes it possible, by selecting switching states of the power electronics which are adapted to respective requirements, to correspondingly adapt error signals generated by a power electronics or of respective spectral properties of the error signals of an output voltage
- the at least one request is selected as a function of a current position of the vehicle.
- the respective requirements are dynamically adapted to changes of respective third-party devices, such as, for example, to a radio station tuned to a radio receiver.
- respective third-party devices such as, for example, to a radio station tuned to a radio receiver.
- a frequency band set on the radio station d. H. according to a current one
- spectral gaps in a frequency spectrum of an error signal of an output voltage of each power electronics can be used as a basis for selecting respective requirements. This means that switching states of power electronics are selected as a function of a requirement that changes dynamically, for example, according to a currently set radio station or according to a current search window of a radio receiver.
- a respective user associated devices such as smart phones are susceptible to interference
- a user assigned device itself or in combination with another device, such as a radio receiver of a respective vehicle, given or used to select respective requirements. Accordingly, a request may be made such that frequencies generated by power electronics that is a receive frequency band of the
- a switching state of a power electronics indicates in particular a state of all power semiconductors of the corresponding power electronics.
- Switching operations or switching states of the at least one power electronics to reduce the change in the error signal of the power electronics and in particular to suppress vibrations in the error signal.
- the switching states of the power electronics are defined by the combination or interaction of the respective switching states of the individual power semiconductors of the power electronics.
- the integrator element can be interpreted as a filter that weights the error signal to form a spectral pattern that attenuates the values of amplitudes of selected frequencies, such as those of high frequencies.
- the filter can in particular correspond to a target spectrum according to a respective requirement, wherein the penalty term is chosen such that respective frequencies are attenuated such that a correspondingly filtered spectrum approaches the target spectrum as best as possible, for example, by minimizing vibrations in the error signal.
- a target spectrum is determined by means of at least one predetermined weighting factor, which uses as default for selecting a respective switching state of the power electronics from the possible simulated switching states of the power electronics becomes.
- Weighting factors K and ⁇ weighted so that both requirements can be considered together or at the same time in the selection of a respective switching state of a power electronics.
- ⁇ 1 ⁇ 2 stands for a spectral deviation or for an error signal (see equation (2)), ⁇ and K for weighting factors or compensation parameters, by means of which balancing between respective requirements and ⁇ 1 ⁇ 2 for a density of respective ones
- Equation (2) applies to calculate ⁇ 1 ⁇ 2 :
- F (Ü>) stands for a frequency-transformed, ie in particular Fourier-transformed, quantified output signal Sp * (a>) for a target spectrum of the
- the error signals of the simulated switching states of the power electronics are pre-processed by means of a filter function.
- a filter function for example, a bandpass or bandwidth filter or a notch filter (notch filter or frequency cut filter) can be selected, which approximates a frequency spectrum of an error signal of a respective switching state of a power electronics to a specified by the requirement target by, for example, a certain frequency range in its amplitude is lowered.
- a respective most suitable switching state can be identified and selected for adjustment to a respective power electronics.
- a cut-off function which is inversely proportional to high frequencies at respective amplitudes of a number of selected frequencies, is selected as the filter function.
- Filter characteristic as is typical for a bandpass. This means that by means of the cutoff function falling inversely proportional to high frequencies, an edge of a spectrum of an error signal of a power semiconductor can be cut off or greatly reduced in its amplitude, so that influences of the high frequencies are minimized.
- a cut-off function By applying a cut-off function to a spectrum of an error signal, it is possible to "cut off" a given frequency range of the spectrum or to filter the spectrum in such a way that the predetermined frequency range is attenuated in its corresponding amplitudes.
- selected values of the frequency spectrum are reduced in their amplitude below a predetermined threshold value by means of a mathematical function.
- Filter function damped, or reduced in their amplitude, ie weakened in intensity. Due to a weakening of selected frequency ranges in their intensity, so-called “spectral gaps” are created, which are chosen in particular such that they are placed in operating ranges of third-party devices in order to meet respective requirements of, for example, the third-party devices.
- a threshold value of 40 dB has proved to be the threshold for attenuation of respective frequencies, since an intensity below this threshold significantly reduces an influence on third-party devices.
- the present invention relates to a modulator for power electronics, wherein the modulator comprises at least one control unit which is configured, a switching state of the power electronics in response to a comparison of predetermined by at least one specification spectral requirements and respective frequency spectra of error signals of an output voltage of the power electronics, each corresponding to a simulated switching state of the power electronics to select and with constant timing of respective switching rates of
- the switching state of the power electronics is thereby encompassed by an interaction of respective switching states of the power electronics
- the power electronics comprise at least one, usually a plurality of power semiconductors.
- the presented modulator is used in particular for carrying out the presented method. In a further possible embodiment of the presented method is provided for controlling a time average of the output voltage of
- an offset can be subtracted from the calculated values of the numerical representation of the switching states in order to achieve the desired time average of the output signal or of the output voltage.
- Output voltage of half the amplitude of the input voltage can be set, calculated the method presented by means of the numerical representation of the switching states S ⁇ ⁇ -0.5, 0.5 ⁇ the output signal, while retaining all
- a ratio of 0.5 between the input and output voltages is enforced by the external control.
- control unit is further configured to be in the frequency spectrum by means of mathematical function depending on the at least one request to generate spectral gaps.
- FIG. 1 shows a possible embodiment of the presented method, in which a specification for carrying out the presented method is selected as a function of a current position of a respective vehicle.
- FIG. 2 shows a schematic representation of a sequence of a possible embodiment of the presented method.
- Figure 3 shows effects of variously chosen weighting factors in the
- FIG. 4 shows effects of a filter function for superimposing a
- FIG. 5 shows effects of a further filter function for superimposing a
- FIG. 6 shows effects of a further filter function for superimposing a
- a vehicle 1 which is a third party in the form of a
- Alternate formation step 25 determined. For each switching state in the
- Alternating step 25 detected switching states is independently determined a corresponding error signal in a step 27 or 27 'and in
- Frequency transformation steps 28 and 29 or 28 'and 29' in which a Fourier transformation of a selected time range is calculated, examined for its spectral components.
- Frequency transformation steps 28 and 29 or 28 'and 29' are combined to a step 30 using short-term frequency analyzes, such as wavelets.
- short-term frequency analyzes such as wavelets.
- selected mathematical functions such as filters and / or standard functions are applied in a step 31 or 31 'to judge their correspondence to respective requirements and in one
- Selection step 33 to select the switching state of the power electronics, which causes an output voltage of the power electronics, the best possible meets the requirements and this accordingly by means of a modulator, such as
- Pulse width modulator in a control step 35 to adjust the power electronics to adjust the power electronics.
- a respective frequency spectrum optimally fulfills a respective requirement, for example, a difference between a spectrum corresponding to the requirement and a respective spectrum which is assigned to a specific switching state from the alternative switching states determined in step 25 can be calculated.
- a respective switching state of the power electronics is one or a plurality of configurations of switching states encompassed by the power electronics
- the first spectrum 31 shows effects of differently chosen
- Weighting factors on an equation by means of which two requirements are taken into account simultaneously in the calculation of a spectrum of an error signal of an output voltage of a power electronics.
- factors of the equation according to the two requirements are adjusted such that a corresponding spectrum best suits the two requirements, i. H.
- the first spectrum 31 shows the effects of the selection of small values in the determination of a first weighting factor, so that low frequencies, for example in a region 35 in comparison to higher ones
- Frequencies in a range 37 are relatively strongly attenuated. Due to the influence of the second weighting factor, however, a relatively small number of outliers 39 occur in region 35, which could lead to disturbances in third-party devices.
- Calculation of the second spectrum 33 can be considered to increase. This means that a simulation of a large number of switching states, such as 2, 5, 10 or 100 in the future, reduces or minimizes outliers.
- FIG. 4 shows a spectrum 43 which has been entered into a diagram which extends over the abscissa over a frequency in the unit Hz and on the ordinate above a normalized relative amplitude.
- Filter function was a range 53 within the spectrum 51, attenuated at about 5000 Hz with a width of about 400 Hz to create a spectral gap in the spectrum 51, so that a third party that sensitive to interference in the range of 5000 Hz is operated without interference parallel to a correspondingly regulated power electronics
- spectrum 54 shows the spectrum of a switching signal of a switch of a power electronics using an embodiment of the presented method, which was plotted on a graph that is on 30 of the abscissa over a frequency in the unit Hz and on the Ordinate over one normalized relative amplitude extends.
- two regions 55 and 56 are simultaneously attenuated by the presented control method to produce two spectral gaps in the spectrum 54 such that a third device sensitive to spurious signals in these two regions operates smoothly in parallel with a correspondingly controlled one Power electronics can be operated.
- the presented method 60 is applied in a cascaded control to control the output voltage 62 of a
- the DC converter 61 to control using an outer control loop 59.
- the voltage error 64 is calculated by the output voltage 62 of the
- DC-DC converter 61 is subtracted from the setpoint 57. From the
- Voltage error 64 can thus be used to calculate the input to the voltage regulation method 63 (eg PI controller). The ratio of the voltage error 64 to
- Input voltage is subtracted from the numerical representation of the switching states, and used as input to the external voltage regulator 63.
- the external voltage regulator 63 calculates the input of the present invention
- Method 60 calculates using a
- setpoints 58 are known by respective specified requirements and past values 70 from a history of switching states of power electronics.
- all possible future switching states of power electronics and the history of switching states of the power electronics with a temporally exponentially decaying window 66 are multiplied to the input signals as vectors for the
- Frequency transformation 67 provide. The results of the frequency transformation 67 are compared with a target spectrum 68, resulting in an error signal in the Frequency range is calculated. From all possible switching states of the
- set values 58 are known by respective specified requirements and past values 70 from a history of switching states of power electronics.
- all possible future switching states of a power electronics and the history of switching states of the power electronics are evaluated to determine the number of switching operations in the examined time window for all possible future switching states in a step 72.
- the future switching state that is best in accordance with the predetermined specifications eg, minimum number of switching states
- setpoints 58 are known by respective specified requirements and past values 70 from a history of switching states of power electronics.
- the illustrated sequence combines the calculations of the processes shown in Figure 8 and Figure 9. Here, both the number of
- step 79 To identify switching state.
- the optimum future switching state is passed on in step 79 to a switch of power electronics.
- An embodiment of the present invention includes at least one integrated circuit, preferably a digital signal processor (DSP), a field programmable gate array (FPGA), or an application specific integrated circuit ASIC to implement the method.
- This embodiment preferably measures at least one electrical voltage on at least one electrical connection pair by means of at least one voltage measurement and converts the at least one signal of the at least one voltage measurement into digital values for the at least one integrated circuit by means of an analog-to-digital conversion.
- DSP digital signal processor
- FPGA field programmable gate array
- ASIC application specific integrated circuit ASIC
- the invention further comprises at least one digital frequency transformation, preferably a discrete Fourier transformation.
- the at least one frequency transformation can transform at least one digital voltage signal into a frequency range directly or indirectly after further mathematical operations.
- the at least one shift register preferably stores past power electronics switching states, wherein the oldest value in the memory may be cleared in each timing step when a new value is added.
- the output of the switching states which were identified as optimal due to the simulation of the possible switching states, can take place by means of at least one digital output of the at least one integrated circuit.
- the embodiment preferably further comprises at least one gate driver which receives at least one signal of the at least one digital output and electrically amplifies this signal for at least one electronic switch.
- control cascade comprising at least one voltage regulation and at least one spectral regulation may further comprise at least two integrated circuits, at least one of which is integrated
- Circuit voltage regulation comprising at least one analog-to-digital converter, at least one digital output for outputting switching states and at least one controller implemented and at least one integrated circuit spectral control comprising at least one frequency transformation, at least one
- Shift register at least one vector difference unit for calculating the difference between two vectors and at least one cumulative sum unit, which receives as input at least one vector and calculates the sum of the entries of the vector implemented.
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
Vorrichtung und Verfahren zur spektralen Regelung eines Device and method for the spectral control of a
Gleichspannungswandlers DC-DC converter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines The present invention relates to a method for controlling a
Gleichspannungswandlers sowie einen zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens geeigneten Modulator. DC-DC converter and a suitable for carrying out the method presented modulator.
Beim Verwenden von Leistungselektroniken zur Wandlung von Spannungen oder Steuerung von Strömen bspw. zwischen unterschiedlichen Bordnetzen in Land- und Wasserfahrzeugen werden von einer jeweiligen Leistungselektronik umfasste When using power electronics for the conversion of voltages or control of currents, for example. Between different on-board networks in land and water vehicles are covered by a respective power electronics
Leistungshalbleiter mit hoher Frequenz geschaltet, um verschiedene Zustände der Leistungselektronik abzubilden. Bedingt durch das Schalten der Leistungshalbleiter erzeugt die Leistungselektronik ein Fehlersignal, das in seiner Frequenz mit weiteren elektrischen Geräten, wie bspw. einem Radioempfänger, wechselwirken kann, wodurch Störgeräusche bzw. Störeffekte entstehen können. Insbesondere bei Steuerungen jeweiliger Leistungshalbleiter mittels Pulsweitenmodulatoren kommt es häufig zu harmonischen Oberschwingungen, die sich als Fehlersignale auf weitere elektrische Geräte auswirken. Um einen Einfluss von schaltungsbedingten spektralen Änderungen von Power semiconductors connected at high frequency to map different states of power electronics. Due to the switching of the power semiconductors, the power electronics generates an error signal that can interact in frequency with other electrical devices, such as. A radio receiver, whereby noise or interference effects can occur. Particularly in the case of controllers of respective power semiconductors by means of pulse width modulators, harmonic harmonics often occur which affect other electrical devices as error signals. In order to investigate an influence of circuit-related spectral changes of
Leistungselektroniken zu reduzieren, sind im Stand der Technik Verfahren beschrieben, bei denen eine Taktung eines Modulators zum Schalten jeweiliger Leistungshalbleiter jeweiliger Leistungselektroniken geändert wird. In der US-amerikanischen Druckschrift US 2001 0015 904 AI wird ein Verfahren zum Verringern von Schaltverlusten beim Schalten von Leistungshalbleitern einer To reduce power electronics, methods are described in the prior art in which a clocking of a modulator for switching respective power semiconductors of respective power electronics is changed. US 2001 0015 904 A1 discloses a method for reducing switching losses when switching power semiconductors
Leistungselektronik offenbart. Dabei werden Steuersignale für jeweilige Power electronics disclosed. There are control signals for each
Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von Spannungen jeweiliger Motorphasen bestimmt. Die US-amerikanische Druckschrift US 2003 0174 081 AI offenbart einen Inverter mit einem Schaltmodul zur Kontrolle jeweiliger Leistungshalbleiter des Inverters. Power semiconductor determined as a function of voltages of respective motor phases. The US-American document US 2003 0174 081 AI discloses an inverter with a switching module for controlling respective power semiconductors of the inverter.
Der US-amerikanischen Druckschrift US 2005 0254 265 AI ist ein Verfahren zum Kontrollieren einer Ausgangsspannung eines Spannungswandlers, der Gleichspannung in eine von einer Kontrolleinheit vorgegebene Ausgangsspannung umwandelt, zu The US-American document US 2005 0254 265 AI is a method for controlling an output voltage of a voltage converter, which converts DC voltage into an output voltage predetermined by a control unit
entnehmen. remove.
Ein Frequenzteiler sowie eine Methode zur Frequenzverbreiterung eines Spektrums eines Stromrichters, bei der auf eine ursprüngliche Taktfrequenz ein zusätzliches Signal aufmoduliert wird, ist der US-amerikanischen Druckschrift US 2009 0033 374 AI zu entnehmen. A frequency divider and a method for frequency broadening a spectrum of a power converter, in which an additional signal is modulated onto an original clock frequency, can be found in the US-American publication US 2009 0033 374 AI.
Ein Pulsweitenmodulator, basierend auf einem Sigma-Delta Modulator, ist in der US- amerikanischen Druckschrift US 5 901 176 A offenbart. A pulse width modulator based on a sigma-delta modulator is disclosed in US Pat. No. 5,901,176A.
In der US-amerikanischen Druckschrift US 6 559 698 Bl ist ein Schaltkreis zur Regelung einer Taktrate auf Grundlage eines durch einen Oszillator bereitgestellten Signals offenbart. In US Pat. No. 6,559,698 Bl, a circuit for controlling a clock rate based on a signal provided by an oscillator is disclosed.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Regelung eines von einer Leistungselektronik erzeugten Fehlersignals unter Against this background, it is an object of the present invention to provide a means for controlling an error signal generated by power electronics
Beibehaltung einer Taktrate zur Schaltung jeweiliger Leistungshalbleiter der Maintaining a clock rate for switching respective power semiconductors
Leistungselektronik bereitzustellen. Power electronics provide.
Es wird ein Verfahren zum Regeln einer Leistungselektronik, beispielsweise für ein Fahrzeug, vorgestellt, bei dem unter Beibehaltung einer aktuellen Taktrate der It is a method for controlling a power electronics, for example, for a vehicle, presented in which, while maintaining a current clock rate of
Leistungselektronik ein Schaltzustand der Leistungselektronik aus einer Anzahl möglicher Schaltzustände der Leistungselektronik in Abhängigkeit mindestens einer im Voraus bereitzustellenden Anforderung an spektrale Eigenschaften eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik ausgewählt und in der Leistungselektronik eingestellt wird. Power electronics, a switching state of the power electronics from a number of possible switching states of the power electronics in response to at least one requirement to be provided in advance to spectral characteristics of an error signal Output voltage of the power electronics is selected and adjusted in the power electronics.
Die Taktrate ist im Sinne dieser Erfindung die Rate, mit der Berechnungen für die Auswahl des nächsten Schaltzustandes durchgeführt werden. Der Takt wird vorzugsweise von einem Taktgeber erzeugt und vorgegeben, beispielsweise einem elektronischen Quarz. Alternativ kann der Takt auch aus einem bereits vorhandenen Takt über einen For the purposes of this invention, the clock rate is the rate at which calculations are made for the selection of the next switching state. The clock is preferably generated and preset by a clock, for example an electronic quartz. Alternatively, the clock can also from an existing clock via a
spannungsgesteuerten Oszillator (voltage-controlled oscillator, VCO) oder einen Taktteiler oder Taktvervielfacher, wie sie dem Fachmann bekannt sind, erzeugt werden. In voltage controlled oscillator (VCO) or a clock divider or clock multiplier as are known to those skilled in the art. In
Ausgestaltung kann die Taktrate beispielsweise als Takt einer integrierten Schaltung oder einer Iterationsrate einer Routine der integrierten Schaltung dienen, die das For example, the clock rate may serve as the clock of an integrated circuit or an iteration rate of an integrated circuit routine that implements the clock rate
erfindungsgemäße Regelverfahren implementiert. Das Regelverfahren wird vorzugsweise innerhalb einer Taktperiode oder einem fest vorgegebenen Vielfachen einer Taktperiode durchgeführt und mit regelmäßiger Wiederholrate gemäß des genannten Taktes wiederholt. Implemented control method according to the invention. The control method is preferably performed within one clock period or a predetermined multiple of a clock period and repeated at a regular repetition rate according to said clock.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf leistungselektronische The present invention particularly relates to power electronics
Gleichspannungswandler, die elektrische Energie zwischen mindestens zwei elektrischen Anschlusspaaren mit vorzugsweise jeweils unterschiedlichen elektrischen Spannungen transferiert, wobei es sich bei den elektrischen Spannungen der elektrischen DC converter, which transfers electrical energy between at least two electrical connection pairs, preferably with different electrical voltages, wherein the electrical voltages of the electrical
Anschlusspaare um Gleichspannungen handelt. Gleichspannungswandler sind in großer Zahl im Stand der Technik bekannt. Beispiele können auch in der wissenschaftlichen Literatur gefunden werden [D. Schroeder. Leistungselektronische Schaltungen. 3rd edition, Springer, Berlin, 2012; ISBN 978-3-642-30103-2. und R. W. Erickson, D. Connection pairs are DC voltages. DC-DC converters are known in large numbers in the prior art. Examples can also be found in the scientific literature [D. Schroeder. Power electronic circuits. 3rd edition, Springer, Berlin, 2012; ISBN 978-3-642-30103-2. and R.W. Erickson, D.
Maksimovic. Fundamentals of Power Electronics. 2nd edition, Springer, Berlin, 2001 ; ISBN 978-0-792-37270-7]. Gleichspannungen im Sinne der Erfindung wechseln ihre Spannungspolarität außerhalb eines Fehlerfalles nicht. Anschlusspaare werden ferner in der Literatur häufig als Eingänge oder Ausgänge und jeweils zugehörige Spannungen als Eingangsspannungen oder Ausgangsspannungen bezeichnet. In der Regel werden solche Anschlusspaare als Ausgänge bezeichnet, deren Spannungen oder Ströme, folglich als Ausgangsspannungen oder Ausgangsströme bezeichnet, durch eine Regelung auf eine vorgegebene Zielbedingung, beispielsweise einen Zielwert hin geregelt werden. Maksimovic. Fundamentals of Power Electronics. 2nd edition, Springer, Berlin, 2001; ISBN 978-0-792-37270-7]. DC voltages within the meaning of the invention do not change their Spannungspolarität outside of a fault. Terminal pairs are also often referred to in the literature as inputs or outputs and respective associated voltages as input voltages or output voltages. In general, such terminal pairs are referred to as outputs whose voltages or currents, consequently as Output voltages or output currents referred to be regulated by a regulation to a predetermined target condition, for example, a target value out.
Eine Regelschleife im Sinne der Erfindung minimiert den Absolutwert mindestens eines zugehörigen Fehlersignales. Im vorliegenden Fall wird das Fehlersignal vorzugsweise aus der Abweichung des Frequenzspektrums mindestens einer elektrischen Spannung mindestens eines elektrischen Anschlusspaares zu einem vorgegebenen Zielspektrum gebildet. Das Zielspektrum wird vorzugsweise als Funktion über der Frequenz bzw. als Tabelle bestehend aus einer endlichen Anzahl von Paaren von diskreten Frequenzen und zugehörigen Werten des Zielspektrums an der entsprechenden Frequenz vorgegeben. A control loop in the sense of the invention minimizes the absolute value of at least one associated error signal. In the present case, the error signal is preferably formed from the deviation of the frequency spectrum of at least one electrical voltage of at least one electrical connection pair to a predetermined target spectrum. The target spectrum is preferably given as a function of the frequency or as a table consisting of a finite number of pairs of discrete frequencies and associated values of the target spectrum at the corresponding frequency.
Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen. Embodiments result from the description and the dependent claims.
Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Regeln bzw. Steuern einer The presented method is used in particular for controlling or controlling a
Leistungselektronik derart, dass spektrale Eigenschaften, d. h. Amplituden jeweiliger Frequenzen, einer Ausgangsspannung bzw. eines Fehlersignals der Ausgangsspannung der Leistungselektronik gemäß einer vorgegebenen Anforderung angepasst werden. Dazu ist insbesondere vorgesehen, dass in einem jeweiligen Spektrum eines Power electronics such that spectral properties, d. H. Amplitudes of respective frequencies, an output voltage or an error signal of the output voltage of the power electronics are adjusted according to a predetermined requirement. For this purpose, it is provided in particular that in a respective spectrum of a
Fehlersignals, d. h. einer Verzerrung der Ausgangsspannung der Leistungselektronik, das bzw. die durch einen Wechsel von Schaltzuständen der Leistungselektronik entsteht, mindestens eine spektrale Lücke erzeugt wird. Derartige Lücken sind beispielsweise für Notch- und Bandsperr-Filter typisch, wie sie insbesondere in der leistungsarmen Error signal, d. H. a distortion of the output voltage of the power electronics, which arises or by a change of switching states of the power electronics, at least one spectral gap is generated. Such gaps are typical, for example, notch and band-stop filter, as they are particularly in the low-power
Signalelektronik verwendet werden, und entsprechen stark reduzierten Amplituden in einem jeweiligen ausgewählten Frequenzbereich. Signal electronics are used, and correspond to greatly reduced amplitudes in a respective selected frequency range.
Unter spektralen Eigenschaften sind im Kontext der vorgestellten Erfindung insbesondere Amplituden eines jeweiligen Frequenzspektrums eines Fehlersignals der In the context of the presented invention, spectral properties in particular include amplitudes of a respective frequency spectrum of an error signal
Ausgangsspannung einer jeweiligen Leistungselektronik zu verstehen. Da sich die Amplituden des Frequenzspektrums der Ausgangsspannung des Fehlersignals der Leistungselektronik in Abhängigkeit von Änderungen von Schaltzuständen der Leistungshalbleiter der Leistungselektronik ändern, sind unter spektralen Eigenschaften auch Amplituden eines Frequenzspektrums eines Fehlersignals jeweiliger To understand output voltage of a respective power electronics. Since the amplitudes of the frequency spectrum of the output voltage of the error signal of the power electronics in response to changes of switching states of the Changing power semiconductors of the power electronics, spectral properties and amplitudes of a frequency spectrum of an error signal are more relevant
Leistungshalbleiter der Leistungselektronik zu verstehen. Unter einem Modulator ist im Kontext der vorliegenden Erfindung ein Modul zur Steuerung von Schaltzeiten und zeitlichen Schaltabfolgen und Schaltsequenzen jeweiliger Power semiconductors to understand the power electronics. Under a modulator, in the context of the present invention, a module for controlling switching times and timing sequences and switching sequences is more specific
Leistungshalbleiter einer Leistungselektronik zu verstehen. Power semiconductors to understand a power electronics.
Unter Verwendung des vorgestellten Verfahrens kann auch vorgesehen sein, die spektralen Eigenschaften einer jeweiligen Leistungselektronik bzw. jeweiliger Using the presented method, it is also possible to provide the spectral properties of a respective power electronics or respective ones
Leistungshalbleiter der Leistungselektronik dadurch anzupassen, dass aus der Anzahl möglicher Schaltzustände der Leistungselektronik derjenige Schaltzustand ausgewählt wird, der ein Spektrum des Fehlersignals der Ausgangsspannung der Leistungselektronik gegenüber einem aktuellen Schaltzustand der Leistungselektronik derart ändert, dass ein ausgewählter Bereich mit einem bestimmten Faktor gedämpft, d. h. in seiner Amplitude reduziert wird und, dadurch bedingt, ein Einfluss entsprechender Frequenzen des ausgewählten Bereichs auf weitere elektronische Geräte reduziert, insbesondere minimiert wird. Um einen Einfluss jeweiliger Frequenzen eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Leistungselektronik auf weitere elektronische Geräte zu dämpfen bzw. zu minimieren, ist insbesondere vorgesehen, dass ausgehend von einer Anzahl vergangener Schaltzustände der Leistungselektronik, für eine Anzahl aktueller und/oder zukünftiger Schaltzustände der Leistungselektronik ein Frequenzspektrum eines entsprechenden Fehlersignals berechnet bzw. simuliert wird. Ausgehend von den simulierten Power semiconductors of the power electronics adapt that is selected from the number of possible switching states of the power electronics that switching state that changes a spectrum of the error signal of the output voltage of the power electronics compared to a current switching state of the power electronics such that a selected range attenuated by a certain factor, d. H. is reduced in amplitude and, as a result, an influence of corresponding frequencies of the selected range is reduced to other electronic devices, in particular minimized. In order to damp or minimize an influence of respective frequencies of an error signal of an output voltage of a power electronics on other electronic devices, it is especially provided that starting from a number of past switching states of the power electronics, for a number of current and / or future switching states of the power electronics, a frequency spectrum of corresponding error signal is calculated or simulated. Starting from the simulated
Frequenzspektren der Anzahl Schaltzustände kann derjenige Schaltzustand der Frequency spectra of the number of switching states can that switching state of
Leistungselektronik ausgewählt werden, der eine jeweilige Anforderung bestmöglich erfüllt, d. h. der ein Fehlersignal einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik bewirkt, das in seinen spektralen Eigenschaften der Anforderung entspricht oder eine unter allen alternativen Schaltzustände geringste Abweichung zu der Anforderung zeigt. Sobald der Schaltzustand, der die jeweilige Anforderung bestmöglich erfüllt, feststeht, kann die Leistungselektronik entsprechend eingestellt, d. h. können die jeweiligen Leistungshalbleiter der Leistungselektronik entsprechend geschaltet werden, wodurch eine durchschnittliche Schaltrate der Leistungshalbleiter gleichzeitig eingeregelt wird. Power electronics are selected that best meets a respective requirement, that causes an error signal of an output voltage of the power electronics, which corresponds in its spectral characteristics of the requirement or shows a minimum deviation from the requirement of all alternative switching states. As soon as the switching state which optimally fulfills the respective requirement is established, the power electronics can be adjusted accordingly, ie the respective power semiconductors of the power electronics can be switched accordingly, whereby an average switching rate of the power semiconductors is adjusted simultaneously.
Insbesondere können bei Simulationen von möglichen Schaltzuständen in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitschritten in der Zukunft, Sequenzen von Schaltzuständen simuliert und berechnet werden. Das Verfahren testet in dieser Form vorzugsweise alle Kombinationen der Schaltzustände für die zum aktuellen Zeitpunkt direkt nachfolgende Taktperiode mit den Schaltzuständen der darauffolgenden Taktperiode sowie einer vorgegebenen Anzahl von weiteren darauffolgenden Taktperioden, um jene Sequenz von Schaltzuständen für eine bestimmte Anzahl von zukünftigen Taktperioden zu ermitteln, die am Ende der zeitlich letzten dieser Taktperioden das beste Ergebnis im Sinne der Erfindung liefert. Das Verfahren kann dabei die gesamte Sequenz an die Schalter zur entsprechenden Einnahme der Schaltzustände übermitteln und somit durchführen, um erst am Ende der Sequenz die nächste Sequenz für dann zukünftige Taktperioden zu berechnen. Vorzugsweise wird jedoch lediglich ein Teil der Sequenz, besonders vorzugsweise lediglich der erste Schaltzustand der ermittelten Sequenz an die Schalter übermittelt und in den Schaltern umgesetzt und am Ende dieses Teils der Sequenz der verbleibende Teil der Sequenz verworfen und das beschriebene Vorgehen wiederholt, d. h. eine vollständig neue optimale Sequenz aus der Kombination aller zukünftig möglichen Schaltzustände ermittelt und erneut lediglich ein Teil der Sequenz an die Schalter übermittelt. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht durch Auswahl von an jeweilige Anforderungen angepassten Schaltzuständen der Leistungselektronik eine entsprechende Anpassung von durch eine Leistungselektronik erzeugten Fehlersignalen bzw. von jeweiligen spektralen Eigenschaften der Fehlersignale einer Ausgangsspannung der In particular, in simulations of possible switching states in several successive time steps in the future, sequences of switching states can be simulated and calculated. The method preferably tests in this form all combinations of the switching states for the directly following clock period with the switching states of the following clock period and a predetermined number of further subsequent clock periods in order to determine that sequence of switching states for a certain number of future clock periods at the end of the last of these clock periods the best result in the sense of the invention provides. In this case, the method can transmit the entire sequence to the switches for correspondingly assuming the switching states and thus carry them out in order to calculate the next sequence for then future clock periods only at the end of the sequence. Preferably, however, only a portion of the sequence, more preferably only the first switching state of the determined sequence is transmitted to the switches and implemented in the switches and discarded at the end of this part of the sequence, the remaining part of the sequence and the procedure described repeated, d. H. a completely new optimal sequence from the combination of all future possible switching states determined and again transmitted only a part of the sequence to the switch. The presented method makes it possible, by selecting switching states of the power electronics which are adapted to respective requirements, to correspondingly adapt error signals generated by a power electronics or of respective spectral properties of the error signals of an output voltage
Leistungselektronik, auch ohne dass ein Systemtakt einer Steuerung der Power electronics, even without a system clock of a control of
Leistungselektronik verändert bzw. moduliert werden muss. In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Anforderung in Abhängigkeit einer aktuellen Position des Fahrzeugs gewählt wird. Power electronics must be changed or modulated. In one possible embodiment of the presented method, it is provided that the at least one request is selected as a function of a current position of the vehicle.
Da sich Anforderungen an elektrische Geräte, wie bspw. CISPR-Grenzwerte in As requirements for electrical equipment, such as CISPR limits in
Abhängigkeit von Länderstandards, d. h. in Abhängigkeit einer aktuellen Position eines jeweiligen Fahrzeugs ändern können, ist in Ausgestaltung vorgesehen, jeweilige Dependence on country standards, d. H. can change depending on a current position of a respective vehicle, is provided in an embodiment, respective
Anforderungen an ein Frequenzspektrum eines Fehlersignals eines auszuwählenden Schaltzustands einer Leistungselektronik in Abhängigkeit einer aktuellen Position des Fahrzeugs, die bspw. mittels eines GPS-Sensors ermittelt wird, auszuwählen. Requirements for a frequency spectrum of an error signal of a switching state of a power electronics to be selected as a function of a current position of the vehicle, which is determined, for example. By means of a GPS sensor to select.
Es ist auch denkbar, dass die jeweiligen Anforderungen dynamisch an Veränderungen jeweiliger Drittgeräte, wie bspw. an einen an einem Radioempfänger eingestellten Radiosender, angepasst werden. Dazu können bspw. mit einem an dem Radiosender eingestellten Frequenzband mitlaufende, d. h. sich entsprechend einer aktuellen It is also conceivable that the respective requirements are dynamically adapted to changes of respective third-party devices, such as, for example, to a radio station tuned to a radio receiver. For this purpose, for example. With a frequency band set on the radio station, d. H. according to a current one
Einstellung des Radiosenders ändernde, spektrale Lücken in einem Frequenzspektrum eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer jeweiligen Leistungselektronik als Grundlage zur Auswahl jeweiliger Anforderungen verwendet werden. Dies bedeutet, dass Schaltzustände einer Leistungselektronik in Abhängigkeit einer Anforderung ausgewählt werden, die sich dynamisch bspw. gemäß einem aktuell eingestellten Radiosender bzw. gemäß einem aktuellen Suchfenster eines Radioempfängers ändert. Setting the radio station changing, spectral gaps in a frequency spectrum of an error signal of an output voltage of each power electronics can be used as a basis for selecting respective requirements. This means that switching states of power electronics are selected as a function of a requirement that changes dynamically, for example, according to a currently set radio station or according to a current search window of a radio receiver.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Anforderung in Abhängigkeit mindestens eines In a further possible embodiment of the presented method, it is provided that the at least one request depends on at least one
Fahrzeugparameters des Fahrzeugs gewählt wird. Vehicle parameters of the vehicle is selected.
Neben Veränderungen von Drittgeräten, wie bspw. Radioempfängern, können auch Veränderungen von Fahrzeugparametern, wie bspw. einer Geschwindigkeit, zur Auswahl bzw. zur Änderung einer jeweiligen Anforderung verwendet werden. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Anforderung durch ein von dem Fahrzeug umfasstes Gerät und/oder durch ein einem Nutzer zugeordnetes Gerät vorgegeben wird. In addition to changes in third-party devices, such as radio receivers, changes in vehicle parameters, such as a speed, can be used to select or change a respective requirement. In a further possible embodiment of the presented method, it is provided that the at least one request is predetermined by a device encompassed by the vehicle and / or by a device assigned to a user.
Da auch einem jeweiligen Nutzer zugeordnete Geräte, wie bspw. Smartphones anfällig für Störsignale sind, ist in Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens vorgesehen, dass jeweilige Anforderungen durch ein einem Nutzer zugeordnetes Gerät an sich oder in Kombination mit einem weiteren Gerät, wie bspw. einem Radioempfänger eines jeweiligen Fahrzeugs, vorgegeben bzw. zur Auswahl jeweiliger Anforderungen verwendet werden. Entsprechend kann eine Anforderung dahingehend ausgestaltet sein, dass von einer Leistungselektronik erzeugte Frequenzen, die ein Empfangsfrequenzband des Since a respective user associated devices such as smart phones are susceptible to interference, is provided in an embodiment of the proposed method that respective requirements by a user assigned device itself or in combination with another device, such as a radio receiver of a respective vehicle, given or used to select respective requirements. Accordingly, a request may be made such that frequencies generated by power electronics that is a receive frequency band of the
Radioempfängers von bspw. 101MhZ überlagern, d. h. Frequenzen im Bereich von 90MhZ bis HOMhZ, möglichst geringe Amplituden zeigen. Radio receiver of, for example, 101MhZ superimpose, d. H. Frequencies in the range of 90MhZ to HOMhZ, show the lowest possible amplitudes.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass alle möglichen Schaltzustände der Leistungselektronik simuliert und auf ihren Einfluss auf eine Veränderung eines Frequenzspektrums eines Fehlersignals in einem vorgegebenen Zeitbereich des mindestens einen Leistungshalbleiters überprüft werden, wobei derjenige Schaltzustand aus den simulierten Schaltzuständen zur Umsetzung in der Leistungselektronik ausgewählt und in der Leistungselektronik eingestellt wird, der eine der mindestens einen Anforderung nächstkommende Veränderung des In a further possible embodiment of the presented method, it is provided that all possible switching states of the power electronics are simulated and checked for their influence on a change of a frequency spectrum of an error signal in a predetermined time range of the at least one power semiconductor, wherein that switching state from the simulated switching states for conversion into the power electronics is selected and adjusted in the power electronics, one of the at least one request closest to the change
Frequenzspektrums bewirkt. Zur Auswahl eines an einer jeweiligen Leistungselektronik einzustellenden Schaltzustands einer Leistungselektronik aus einer Anzahl simulierter Schaltzustände, ist vorgesehen, dass alle potentiell verfügbaren Schaltzustände simuliert werden und anhand eines Abgleichs von spektralen Eigenschaften von Fehlersignalen entsprechender Frequency spectrum causes. In order to select a switching state of power electronics to be set at a respective power electronics from a number of simulated switching states, it is provided that all potentially available switching states are simulated and correspondingly adjusted by means of an adjustment of spectral characteristics of error signals
Ausgangsspannungen der Leistungselektronik und einer vorgegebenen Anforderung derjenige Schaltzustand aus den simulierten Schaltzuständen ausgewählt und in der Leistungselektronik eingestellt wird, der die Anforderung bestmöglich erfüllt, d. h. eine Ausgangsspannung an der Leistungselektronik bewirkt, die die Anforderung bestmöglich erfüllt. Zur Simulation aller verfügbaren Schaltzustände einer Leistungselektronik können jeweilige Leistungshalbleiter in allen möglichen Schaltzuständen und in allen Output voltages of the power electronics and a predetermined requirement that switching state selected from the simulated switching states and in the Power electronics is set, which meets the requirements in the best possible way, that causes an output voltage to the power electronics, which meets the requirements in the best possible way. To simulate all available switching states of a power electronics respective power semiconductors in all possible switching states and in all
Kombinationen mit allen weiteren Leistungshalbleitern einer Leistungselektronik betrachtet werden. Ein Schaltzustand einer Leistungselektronik gibt insbesondere einen Zustand aller Leistungshalbleiter der entsprechenden Leistungselektronik an. Combinations are considered with all other power semiconductors of a power electronics. A switching state of a power electronics indicates in particular a state of all power semiconductors of the corresponding power electronics.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass das Fehlersignal eines jeden simulierten Schaltzustands der Leistungselektronik mittels einer Sigma-Delta Modulation vorverarbeitet wird, um eine Eignung eines jeweiligen Schaltzustands zur Erfüllung der mindestens einen Anforderung zu ermitteln, wobei als Integratorelement der Sigma-Delta Modulation eine exponentiell abnehmende Fensterfunktion gewählt wird, um einen Einfluss jeweiliger zurückliegender In a further possible embodiment of the presented method, it is provided that the error signal of each simulated switching state of the power electronics is pre-processed by means of a sigma-delta modulation in order to determine a suitability of a respective switching state for the fulfillment of the at least one request, wherein as an integrator element the sigma Delta Modulation an exponentially decreasing window function is chosen to have an influence of more recent ones
Schaltvorgänge bzw. Schaltzustände der mindestens einen Leistungselektronik auf die Veränderung des Fehlersignals der Leistungselektronik zu reduzieren und insbesondere Schwingungen in dem Fehlersignal zu unterdrücken. Switching operations or switching states of the at least one power electronics to reduce the change in the error signal of the power electronics and in particular to suppress vibrations in the error signal.
Mittels einer exponentiell abnehmenden Fensterfunktion als Integratorelement einer Sigma-Delta Modulation ist es möglich, einen Einfluss zurückliegender Schaltzustände der Leistungselektronik zu reduzieren und, dadurch bedingt, eine Stabilität der By means of an exponentially decreasing window function as an integrator element of a sigma-delta modulation, it is possible to reduce an influence of past switching states of the power electronics and, as a result, a stability of the
Vorverarbeitung zu erhöhen und einen Einfluss von Schwingungen, die häufig zu Preprocessing increase and an influence of vibrations, often too
Störungen in Drittgeräten führen, auf die Sigma-Delta Modulation zu reduzieren. Die Schaltzustände der Leistungselektronik definieren sich dabei durch Zusammenschau bzw. Zusammenwirken der jeweiligen Schaltzustände der einzelnen Leistungshalbleiter der Leistungselektronik. Zur Veranschaulichung dieses Ansatzes kann das Integratorelement als ein Filter interpretiert werden, der das Fehlersignal gewichtet, um einen spektralen Strafterm, der die Werte von Amplituden ausgewählter Frequenzen, wie bspw. diejenigen von hohen Frequenzen dämpft, zu bilden. Dabei kann der Filter insbesondere einem Zielspektrum gemäß einer jeweiligen Anforderung entsprechen, wobei der Strafterm derart gewählt ist, dass jeweilige Frequenzen derart gedämpft werden, dass sich ein entsprechend gefiltertes Spektrum dem Zielspektrum bestmöglich nähert, indem bspw. Schwingungen in dem Fehlersignal minimiert werden. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass für den Fall, dass mehrere Anforderungen vorgegeben werden, mittels mindestens eines vorgegebenen Gewichtungsfaktors ein Zielspektrum ermittelt wird, das als Vorgabe zur Auswahl eines jeweiligen Schaltzustands der Leistungselektronik aus den möglichen simulierten Schaltzuständen der Leistungselektronik verwendet wird. Disturbances in third-party devices lead to reduced sigma-delta modulation. The switching states of the power electronics are defined by the combination or interaction of the respective switching states of the individual power semiconductors of the power electronics. To illustrate this approach, the integrator element can be interpreted as a filter that weights the error signal to form a spectral pattern that attenuates the values of amplitudes of selected frequencies, such as those of high frequencies. In this case, the filter can in particular correspond to a target spectrum according to a respective requirement, wherein the penalty term is chosen such that respective frequencies are attenuated such that a correspondingly filtered spectrum approaches the target spectrum as best as possible, for example, by minimizing vibrations in the error signal. In a further possible embodiment of the proposed method, it is provided that, in the event that multiple requirements are specified, a target spectrum is determined by means of at least one predetermined weighting factor, which uses as default for selecting a respective switching state of the power electronics from the possible simulated switching states of the power electronics becomes.
Mittels eines oder mehrerer Gewichtungsfaktoren können unterschiedliche oder sogar gegenläufige Anforderungen gleichzeitig berücksichtigt werden, wie beispielhaft durch Gleichung (1) gezeigt. Dabei werden die beiden Anforderungen "minimale Schaltverluste" und "hohe Genauigkeit", die sich in der Regel gegenläufig verhalten, mittels der By means of one or more weighting factors, different or even contradictory requirements can be considered simultaneously, as shown by way of example by equation (1). The two requirements "minimal switching losses" and "high accuracy", which usually behave in opposite directions, are determined by means of the
Gewichtungsfaktoren K und λ gewichtet, so dass beide Anforderungen gemeinsam bzw. zeitgleich bei der Auswahl eines jeweiligen Schaltzustands einer Leistungselektronik berücksichtigt werden können. Weighting factors K and λ weighted so that both requirements can be considered together or at the same time in the selection of a respective switching state of a power electronics.
Dabei steht ε1<2 für eine spektrale Abweichung bzw. für ein Fehlersignal (siehe Gleichung (2)), λ und K für Gewichtungsfaktoren bzw. Ausgleichsparameter, mittels derer zwischen jeweiligen Anforderungen ausbalanciert wird und θ1<2 für eine Dichte jeweiliger In this case, ε 1 <2 stands for a spectral deviation or for an error signal (see equation (2)), λ and K for weighting factors or compensation parameters, by means of which balancing between respective requirements and θ 1 <2 for a density of respective ones
Schaltaktionen, die einer Dichte jeweiliger Schaltverluste entspricht, und S(k + 1) für den nächsten ausgewählten Schaltzustand, wobei für einen Gleichspanungswandler gelte S ε {0,1}- S beschreibt im Sinne dieser Erfindung eine zahlenwertige Repräsentation der Schaltzustände, die auf den zeitlich folgenden Schaltzustand einer jeweiligen Switching actions that correspond to a density of respective switching losses, and S (k + 1) for the next selected switching state, wherein for a DC-DC converter S ε {0,1} -S described in the context of this invention, a numerical representation of the switching states that on the temporally following switching state of a respective
Leistungselektronik hinweisen. Ferner gilt Gleichung (2), um ε1<2 zu berechnen: Dabei steht F(Ü>) für ein frequenztransformiertes, d. h. insbesondere Fouriertransformiertes quantifiziertes Ausgangssignal, Sp*(a>) für ein Zielspektrum des Indicate power electronics. Furthermore, equation (2) applies to calculate ε 1 <2 : F (Ü>) stands for a frequency-transformed, ie in particular Fourier-transformed, quantified output signal Sp * (a>) for a target spectrum of the
Fehlersignals, und G(Ü>) für ein angestrebtes Ausgangsprofil. Error signal, and G (Ü>) for a desired output profile.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass das Fehlersignal des mindestens einen Leistungshalbleiters mittels einer In a further possible embodiment of the presented method it is provided that the error signal of the at least one power semiconductor by means of a
Filterfunktion vorverarbeitet wird, um eine Eignung eines jeweiligen Schaltzustands zur Erfüllung der mindestens einen Anforderung zu ermitteln. Filter function is pre-processed to determine the suitability of each switching state to meet the at least one request.
Um einen jeweiligen optimalen bzw. einen zu einer jeweiligen Anforderung am besten passenden Schaltzustand aus einer Anzahl simulierter Schaltzustände einer To a respective optimal or one of a particular request most suitable switching state of a number of simulated switching states of
Leistungselektronik zu ermitteln, ist vorgesehen, die Fehlersignale der simulierten Schaltzustände hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften zu untersuchen und im Hinblick auf die jeweilige Anforderung auszuwählen. Zur Beurteilung der Eignung eines jeweiligen Schaltzustands einer Leistungselektronik zur Erfüllung der jeweiligen Anforderung ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass die Fehlersignale der simulierten Schaltzustände der Leistungselektronik mittels einer Filterfunktion vorverarbeitet werden. Als Filterfunktion kann beispielsweise ein Bandpass bzw. Bandbreitenfilter oder ein Notch-Filter (Kerbfilter bzw. Frequenzsperrfilter) gewählt werden, der ein Frequenzspektrum eines Fehlersignals eines jeweiligen Schaltzustands einer Leistungselektronik an eine durch die Anforderung bestimmte Zielvorgabe annähert, indem beispielsweise ein bestimmter Frequenzbereich in seiner Amplitude gesenkt wird. Durch die Vorverarbeitung der Fehlersignale aller simulierten Schaltzustände einer Leistungselektronik kann ein jeweiliger am besten geeigneter Schaltzustand identifiziert und zur Einstellung an einer jeweiligen Leistungselektronik ausgewählt werden. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Filterfunktion eine für hohe Frequenzen zu jeweiligen Amplituden einer Anzahl ausgewählter Frequenzen umgekehrt proportional fallende Cut-Off Funktion gewählt wird. Mittels einer für hohe Frequenzen bzw. entsprechenden Amplituden der hohen To determine power electronics, it is provided to examine the error signals of the simulated switching states with regard to their spectral properties and to select them with regard to the respective requirement. To assess the suitability of a respective switching state of a power electronics to meet the respective requirement is provided in an embodiment that the error signals of the simulated switching states of the power electronics are pre-processed by means of a filter function. As a filter function, for example, a bandpass or bandwidth filter or a notch filter (notch filter or frequency cut filter) can be selected, which approximates a frequency spectrum of an error signal of a respective switching state of a power electronics to a specified by the requirement target by, for example, a certain frequency range in its amplitude is lowered. By preprocessing the error signals of all simulated switching states of power electronics, a respective most suitable switching state can be identified and selected for adjustment to a respective power electronics. In a further possible embodiment of the presented method, it is provided that a cut-off function, which is inversely proportional to high frequencies at respective amplitudes of a number of selected frequencies, is selected as the filter function. By means of a high frequency or corresponding amplitudes of the high
Frequenzen umgekehrt proportional fallende Cut-Off Funktion ist es möglich, eine Frequencies inversely proportional cut-off function, it is possible a
Filtercharakteristik zu erzeugen, wie sie für einen Bandpass typisch ist. Dies bedeutet, dass mittels der für hohe Frequenzen umgekehrt proportional fallenden Cut-Off Funktion eine Flanke eines Spektrums eines Fehlersignals eines Leistungshalbleiters abgeschnitten bzw. in seiner Amplitude stark reduziert werden kann, so dass Einflüsse der hohen Frequenzen minimiert werden. Durch die Anwendung einer Cut-Off Funktion auf ein Spektrum eines Fehlersignals ist es möglich, einen vorgegebenen Frequenzbereich des Spektrums "abzuschneiden" bzw. das Spektrum derart zu filtern, dass der vorgegebene Frequenzbereich in seinen entsprechenden Amplituden gedämpft wird. Filter characteristic, as is typical for a bandpass. This means that by means of the cutoff function falling inversely proportional to high frequencies, an edge of a spectrum of an error signal of a power semiconductor can be cut off or greatly reduced in its amplitude, so that influences of the high frequencies are minimized. By applying a cut-off function to a spectrum of an error signal, it is possible to "cut off" a given frequency range of the spectrum or to filter the spectrum in such a way that the predetermined frequency range is attenuated in its corresponding amplitudes.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass ausgewählte Werte des Frequenzspektrums mittels einer mathematischen Funktion in ihrer Amplitude unter einen vorgegebenen Schwellenwert reduziert werden. Um für Drittgeräte, wie beispielsweise Radioempfänger eines Fahrzeugs störende Frequenzen beim Betrieb einer Leistungselektronik, beispielsweise der In a further possible embodiment of the presented method, it is provided that selected values of the frequency spectrum are reduced in their amplitude below a predetermined threshold value by means of a mathematical function. In order for third-party devices, such as radio receivers of a vehicle disturbing frequencies when operating a power electronics, such as
Spannungswandlung zwischen zwei Bordnetzen, zu vermeiden, ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass ausgewählte Frequenzen bzw. Frequenzbereiche, von beispielsweise 800 kHz bis 850 kHz mittels einer mathematischen Funktion, wie bspw. einer To avoid voltage conversion between two on-board networks, is provided in an embodiment that selected frequencies or frequency ranges, for example, from 800 kHz to 850 kHz by means of a mathematical function, such as a
Filterfunktion, gedämpft, bzw. in ihrer Amplitude reduziert, d. h. in ihrer Intensität geschwächt werden. Durch eine Schwächung von ausgewählten Frequenzbereichen in ihrer Intensität entstehen sogenannte "spektrale Lücken", die insbesondere derart gewählt werden, dass diese in Betriebsbereichen von Drittgeräten gelegt werden, um jeweilige Anforderungen von bspw. den Drittgeräten zu erfüllen. Durch eine selektive Dämpfung ausgewählter Frequenzen ist es möglich, ausgewählte Bereiche eines jeweiligen Frequenzspektrums eines Fehlersignals eines Schaltzustands der Filter function, damped, or reduced in their amplitude, ie weakened in intensity. Due to a weakening of selected frequency ranges in their intensity, so-called "spectral gaps" are created, which are chosen in particular such that they are placed in operating ranges of third-party devices in order to meet respective requirements of, for example, the third-party devices. By selective attenuation of selected frequencies, it is possible to select selected areas of a respective frequency spectrum of an error signal of a switching state of
Leistungselektronik zu filtern bzw. zu dämpfen, so dass Störungen in den Drittgeräten reduziert bzw. komplett vermieden werden können. Es ist ferner möglich, eine Vielzahl von Bereichen in dem jeweiligen Frequenzspektrum mittels der mathematischen Funktion zu filtern bzw. zu dämpfen, wobei jeweilige Bereiche auch dynamisch in Abhängigkeit einer aktuellen Einstellung mindestens eines Drittgeräts des Fahrzeugs gewählt werden können. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Schwellenwert eine Amplitude von 40 dB gewählt wird. Power electronics to filter or attenuate, so that disturbances in the third party devices can be reduced or completely avoided. It is also possible to filter or attenuate a plurality of regions in the respective frequency spectrum by means of the mathematical function, wherein respective regions can also be selected dynamically as a function of a current setting of at least one third device of the vehicle. In a further possible embodiment of the presented method, it is provided that an amplitude of 40 dB is selected as the threshold value.
Erfahrungsgemäß hat sich ein Schwellenwert von 40 dB als Schwellenwert für eine Dämpfung jeweiliger Frequenzen bewährt, da bei einer Intensität unterhalb dieses Schwellenwerts ein Einfluss auf Drittgeräte signifikant reduziert wird. Experience has shown that a threshold value of 40 dB has proved to be the threshold for attenuation of respective frequencies, since an intensity below this threshold significantly reduces an influence on third-party devices.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Modulator für eine Leistungselektronik, wobei der Modulator mindestens ein Steuergerät umfasst, das dazu konfiguriert ist, einen Schaltzustand der Leistungselektronik in Abhängigkeit eines Vergleichs von durch mindestens eine Vorgabe vorgegebenen spektralen Anforderungen und jeweiliger Frequenzspektren von Fehlersignalen einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik, die jeweils einem simulierten Schaltzustand der Leistungselektronik entsprechen, auszuwählen und bei gleichbleibender Taktung jeweiliger Schaltraten der Furthermore, the present invention relates to a modulator for power electronics, wherein the modulator comprises at least one control unit which is configured, a switching state of the power electronics in response to a comparison of predetermined by at least one specification spectral requirements and respective frequency spectra of error signals of an output voltage of the power electronics, each corresponding to a simulated switching state of the power electronics to select and with constant timing of respective switching rates of
Leistungselektronik aus der Anzahl simulierter Schaltzustände an der Leistungselektronik einzustellen. Adjust power electronics from the number of simulated switching states on the power electronics.
Der Schaltzustand der Leistungselektronik wird dabei durch ein Zusammenwirken jeweiliger Schaltzustände von durch die Leistungselektronik umfassten The switching state of the power electronics is thereby encompassed by an interaction of respective switching states of the power electronics
Leistungshalbleitern definiert. Die Leistungselektronik umfasst mindestens einen, in der Regel eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern. Der vorgestellte Modulator dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, zur Regelung eines zeitlichen Mittelwerts der Ausgangsspannung des Power semiconductors defined. The power electronics comprise at least one, usually a plurality of power semiconductors. The presented modulator is used in particular for carrying out the presented method. In a further possible embodiment of the presented method is provided for controlling a time average of the output voltage of
Gleichspannungswandlers das vorgestellte Verfahren mit Spannungs- oder Gleichspannungswandlers the presented method with voltage or
Stromregelungsmethoden (insbesondere P-, PI-, und PID-Regelung, Deadbeat-Regelung, Sliding-Mode-Regelung, LQR-Regelung) zu kombinieren. Dabei wird das vorgestellte Verfahren als innere Regelschleife einer kaskadierten Regelungsstruktur verwendet, während die Spannungsregelung die äußere Regelschleife bildet. Current control methods (in particular P, PI, and PID control, deadbeat control, sliding mode control, LQR control) to combine. In this case, the presented method is used as the inner control loop of a cascaded control structure, while the voltage regulation forms the outer control loop.
Hierbei kann ein Offset von den berechneten Werten der zahlenwertigen Repräsentation der Schaltzustände subtrahiert werden, um den gewünschten zeitlichen Mittelwert des Ausgangssignals bzw. der Ausgangsspannung zu erreichen. Als zahlenwertige In this case, an offset can be subtracted from the calculated values of the numerical representation of the switching states in order to achieve the desired time average of the output signal or of the output voltage. As numerical
Repräsentation der Schaltzustände im Sinne der Erfindung werden die binären Symbole (beispielsweise {0, 1}) als Zustandsbeschreibung des Zustandes eines elektrischen Schalters (offen und leitend) als numerische Zahlenwerte aufgefasst und verarbeitet, um beispielsweise numerisch Zwischenstufen zwischen den Zuständen zu beschreiben oder mathematische Operationen auszuführen, die einen mehr oder weniger kontinuierlichen oder dichten Wertebereich benötigen. Soll z. B. bei einem Tiefsetzsteller eine Representation of the switching states in the context of the invention, the binary symbols (for example, {0, 1}) as a state description of the state of an electrical switch (open and conductive) as numerical numerical values considered and processed, for example, numerically to describe intermediate stages between the states or mathematical operations be executed, which require a more or less continuous or dense value range. Should z. B. in a buck converter one
Ausgangsspannung von der halben Amplitude der Eingangsspannung eingestellt werden, berechnet das vorgestellte Verfahren mittels der zahlenwertigen Repräsentation der Schaltzustände S ε {-0.5, 0.5} das Ausgangssignal, unter Beibehaltung aller Output voltage of half the amplitude of the input voltage can be set, calculated the method presented by means of the numerical representation of the switching states S ε {-0.5, 0.5} the output signal, while retaining all
vorgestellten Vorteile. Es wird ein Verhältnis von 0.5 zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung durch die äußere Regelung erzwungen. featured benefits. A ratio of 0.5 between the input and output voltages is enforced by the external control.
In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Modulators ist vorgesehen, dass das Steuergerät weiterhin dazu konfiguriert ist, in dem Frequenzspektrum mittels der mathematischen Funktion in Abhängigkeit der mindestens einen Anforderung spektrale Lücken zu erzeugen. In a possible embodiment of the presented modulator is provided that the control unit is further configured to be in the frequency spectrum by means of mathematical function depending on the at least one request to generate spectral gaps.
Durch Erzeugen "spektraler Lücken", d. h. einer Dämpfung von ausgewählten Frequenzen in einem Frequenzspektrum eines Fehlersignals eines Schaltzustands einer By generating "spectral gaps", i. H. an attenuation of selected frequencies in a frequency spectrum of an error signal of a switching state of a
Leistungselektronik, ist es möglich, eine jeweilige Leistungselektronik so zu betreiben, dass jeweilige Drittgeräte eines Fahrzeugs bzw. eines Nutzers nicht in ihrem Betrieb beeinträchtigt werden. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Power electronics, it is possible to operate a respective power electronics so that respective third-party devices of a vehicle or a user are not affected in their operation. Further advantages and embodiments will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben. The invention is schematically illustrated by means of embodiments in the drawings and will be described schematically and in detail with reference to the drawings.
Figur 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens, bei dem in Abhängigkeit einer aktuellen Position eines jeweiligen Fahrzeugs eine Vorgabe zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens ausgewählt wird. FIG. 1 shows a possible embodiment of the presented method, in which a specification for carrying out the presented method is selected as a function of a current position of a respective vehicle.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens. Figur 3 zeigt Auswirkungen verschieden gewählter Gewichtungsfaktoren bei der FIG. 2 shows a schematic representation of a sequence of a possible embodiment of the presented method. Figure 3 shows effects of variously chosen weighting factors in the
Berechnung eines Frequenzspektrums eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Leistungselektronik gemäß einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens. Figur 4 zeigt Auswirkungen einer Filterfunktion zur Überlagerung eines Calculation of a frequency spectrum of an error signal of an output voltage of a power electronics according to a possible embodiment of the presented method. FIG. 4 shows effects of a filter function for superimposing a
Frequenzspektrums eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Frequency spectrum of an error signal of an output voltage of
Leistungselektronik gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens. Figur 5 zeigt Auswirkungen einer weiteren Filterfunktion zur Überlagerung eines Power electronics according to another possible embodiment of the presented method. FIG. 5 shows effects of a further filter function for superimposing a
Frequenzspektrums eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Frequency spectrum of an error signal of an output voltage of
Leistungselektronik gemäß noch einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Power electronics according to yet another possible embodiment of the
vorgestellten Verfahrens. Figur 6 zeigt Auswirkungen einer weiteren Filterfunktion zur Überlagerung eines presented procedure. FIG. 6 shows effects of a further filter function for superimposing a
Frequenzspektrums eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Frequency spectrum of an error signal of an output voltage of
Leistungselektronik gemäß noch einer anderen Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens zur Erzeugung von Lücken in dem Frequenzspektrum einer Power electronics according to yet another embodiment of the proposed method for generating gaps in the frequency spectrum of a
Ausgangsspannung. Output voltage.
Figur 7 stellt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, in der eine spektrale Regelung kaskadiert innerhalb einer Regelschleife zur Regelung der Spannung eines Anschlussklemmenpaares verwendet wird. Die Spannungsregelung kann auch durch eine Stromregelung ersetzt oder ergänzt werden. FIG. 7 illustrates an embodiment of the method according to the invention in which a spectral control is used in cascade within a control loop for regulating the voltage of a terminal pair. The voltage regulation can also be replaced or supplemented by a current regulation.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens zur Beeinflussung eines Frequenzspektrums einer Figure 8 shows a schematic representation of a sequence of a possible embodiment of the presented method for influencing a frequency spectrum of a
Ausgangsspannung eines leistungselektronischen Schalters. Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens zur Minimierung der Schaltverluste eines Output voltage of a power electronic switch. FIG. 9 shows a schematic illustration of a sequence of a possible embodiment of the presented method for minimizing the switching losses of a
leistungselektronischen Schalters. Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens durch eine Kombination der in Figur 8 und Figur 9 dargestellten Ausgestaltungen. power electronic switch. FIG. 10 shows a schematic illustration of a further possible embodiment of the presented method by a combination of the embodiments shown in FIG. 8 and FIG.
In Figur 1 ist ein Fahrzeug 1 dargestellt, das ein Drittgerät in Form eines In Figure 1, a vehicle 1 is shown, which is a third party in the form of a
Radioempfängers 3 sowie eine Leistungselektronik zur Steuerung eines Elektromotors des Fahrzeugs umfasst. Radio receiver 3 and a power electronics for controlling an electric motor of the vehicle comprises.
Da der Radioempfänger 3 in Abhängigkeit einer aktuellen Position des Fahrzeugs eingestellt wird, um bspw. nationalen Vorgaben zu entsprechen, wird die aktuelle Position des Fahrzeugs 1 mittels eines GPS-Systems 5 erfasst. Mittels der aktuellen Position des Fahrzeugs 1 werden entsprechende nationale Vorgaben aus einer Datenbank 7 abgefragt und Vorgaben an ein Fehlersignal einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik erzeugt. In Abhängigkeit der Vorgaben wird ein Zielwert für ein Spektrum des Since the radio receiver 3 is set as a function of a current position of the vehicle in order to correspond, for example, to national specifications, the current position of the vehicle 1 is detected by means of a GPS system 5. By means of the current position of the vehicle 1, corresponding national specifications are queried from a database 7 and specifications are generated for an error signal of an output voltage of the power electronics. Depending on the specifications, a target value for a spectrum of the
Fehlersignals der Ausgangsspannung der Leistungselektronik erzeugt. Dieser Zielwert bzw. ein entsprechendes Zielspektrum 9 wird als Ausgangswert für einen Vergleich verwendet, bei dem alle möglichen Schaltzustände der Leistungselektronik simuliert und auf ihre spektralen Auswirkungen auf die Ausgangsspannung der Leistungselektronik hin untersucht werden. Dies bedeutet, dass jedes Frequenzspektrum eines Fehlersignals einer gemäß einem jeweiligen simulierten Schaltzustands einer Leistungselektronik erzeugten Ausgangsspannung mit dem Zielspektrum 9 verglichen wird und der Error signal of the output voltage of the power electronics generates. This target value or a corresponding target spectrum 9 is used as the output value for a comparison in which all possible switching states of the power electronics are simulated and analyzed for their spectral effects on the output voltage of the power electronics. This means that each frequency spectrum of an error signal of an output voltage generated according to a respective simulated switching state of a power electronics is compared with the target spectrum 9 and the
Schaltzustand aus der Anzahl simulierter Schaltzustände ausgewählt wird, der eine Ausgangsspannung bewirkt, die dem Zielspektrum bestmöglich entspricht. Um jeweilige Anforderungen zu erfüllen, kann das Zielspektrum 9 insbesondere spektrale Lücken aufweisen, in denen die Amplituden jeweiliger Frequenzen besonders stark gedämpft sind. Bei dem in Figur 2 dargestellten Ablauf sind Sollwerte 21 durch jeweilige spezifizierte Anforderungen und vergangene Werte 23 aus einer Historie von Schaltzuständen einer Leistungselektronik bekannt. Ausgehend von den vergangenen Werten 23 werden alle möglichen alternativen Schaltzustände der Leistungselektronik in einem Switching state is selected from the number of simulated switching states, which causes an output voltage that corresponds to the target spectrum as best as possible. In order to meet respective requirements, the target spectrum 9 can in particular have spectral gaps in which the amplitudes of respective frequencies are particularly strongly damped. In the process illustrated in FIG. 2, setpoint values 21 are known from respective specified requirements and past values 23 from a history of switching states of power electronics. Based on the past values 23 all possible alternative switching states of the power electronics are in one
Alternativenbildungsschritt 25 ermittelt. Für jeden Schaltzustand der in dem Alternate formation step 25 determined. For each switching state in the
Alternativenbildungsschritt 25 ermittelten Schaltzustände wird unabhängig voneinander ein entsprechendes Fehlersignal in einem Schritt 27 bzw. 27' ermittelt und in Alternating step 25 detected switching states is independently determined a corresponding error signal in a step 27 or 27 'and in
Frequenztransformationsschritten 28 und 29 bzw. 28' und 29', bei denen eine Fourier- Transformation eines ausgewählten Zeitbereichs berechnet wird, auf seine spektralen Bestandteile hin untersucht. Selbstverständlich können die Frequency transformation steps 28 and 29 or 28 'and 29', in which a Fourier transformation of a selected time range is calculated, examined for its spectral components. Of course, the
Frequenztransformationsschritte 28 und 29 bzw. 28' und 29' unter Verwendung von Kurzzeitfrequenzanalysen, wie bspw. Wavelets, zu einem Schritt 30 zusammengefasst werden. Auf die jeweiligen durch die Frequenztransformationsschritte 28 und 29 bzw. 28' und 29' berechneten Frequenzspektren werden in einem Schritt 31 bzw. 31 ' ausgewählte mathematische Funktionen, wie bspw. Filter und/oder Normfunktionen angewandt, um deren Entsprechung zu jeweiligen Anforderungen zu beurteilen und in einem Frequency transformation steps 28 and 29 or 28 'and 29' are combined to a step 30 using short-term frequency analyzes, such as wavelets. On the respective frequency spectrums calculated by the frequency transformation steps 28 and 29 or 28 'and 29', selected mathematical functions such as filters and / or standard functions are applied in a step 31 or 31 'to judge their correspondence to respective requirements and in one
Auswahlschritt 33 den Schaltzustand der Leistungselektronik auszuwählen, der eine Ausgangsspannung der Leistungselektronik bewirkt, die die Anforderungen bestmöglich erfüllt und diesen entsprechend mittels eines Modulators, wie bspw. eines Selection step 33 to select the switching state of the power electronics, which causes an output voltage of the power electronics, the best possible meets the requirements and this accordingly by means of a modulator, such as
Pulsweitenmodulators in einem Stellschritt 35 an der Leistungselektronik einzustellen. Zur Beurteilung, ob ein jeweiliges Frequenzspektrum eine jeweilige Anforderung bestmöglich erfüllt, kann bspw. eine Differenz zwischen einem der Anforderung entsprechenden Spektrum und einem jeweiligen Spektrum, das einem bestimmten Schaltzustand aus den in Schritt 25 ermittelten alternativen Schaltzuständen zugeordnet ist, berechnet werden. Einem jeweiligen Schaltzustand der Leistungselektronik ist eine oder eine Mehrzahl von Konfigurationen von Schaltzuständen der von der Leistungselektronik umfassten Pulse width modulator in a control step 35 to adjust the power electronics. To assess whether a respective frequency spectrum optimally fulfills a respective requirement, for example, a difference between a spectrum corresponding to the requirement and a respective spectrum which is assigned to a specific switching state from the alternative switching states determined in step 25 can be calculated. A respective switching state of the power electronics is one or a plurality of configurations of switching states encompassed by the power electronics
Leistungshalbleiter zugeordnet. Dies bedeutet, dass ein jeweiliger Schaltzustand der Leistungselektronik durch eine bestimmte Konfiguration von Schaltzuständen der einzelnen Leistungshalbleiter der Leistungselektronik realisiert wird. Dabei ist es denkbar, dass es zur Realisierung eines Schaltzustands der Leistungselektronik mehrere alternative Konfigurationen von Schaltzuständen der Leistungshalbleiter gibt. Power semiconductors assigned. This means that a respective switching state of the power electronics is realized by a specific configuration of switching states of the individual power semiconductors of the power electronics. It is conceivable that there are several alternative configurations of switching states of the power semiconductor for realizing a switching state of the power electronics.
In Figur 3 sind ein erstes Spektrum 31 und ein zweites Spektrum 33 dargestellt, wobei das erste Spektrum 31 und das zweite Spektrum 33 jeweils in einem Diagramm eingetragen sind, das sich auf der Abszisse über eine Frequenz in der Einheit Hz und auf der Ordinate über eine normierte relative Amplitude erstreckt. FIG. 3 shows a first spectrum 31 and a second spectrum 33, wherein the first spectrum 31 and the second spectrum 33 are each plotted in a diagram which is located on the abscissa over a frequency in the unit Hz and on the ordinate over one normalized relative amplitude extends.
Das erste Spektrum 31 zeigt Auswirkungen unterschiedlich gewählter The first spectrum 31 shows effects of differently chosen
Gewichtungsfaktoren auf eine Gleichung, mittels derer zwei Anforderungen simultan bei der Berechnung eines Spektrums eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Leistungselektronik berücksichtigt werden. Mittels der Gewichtungsfaktoren werden Faktoren der Gleichung gemäß der zwei Anforderungen derart anpasst, dass ein entsprechendes Spektrum den zwei Anforderungen bestmöglich entspricht, d. h. Weighting factors on an equation, by means of which two requirements are taken into account simultaneously in the calculation of a spectrum of an error signal of an output voltage of a power electronics. By means of the weighting factors, factors of the equation according to the two requirements are adjusted such that a corresponding spectrum best suits the two requirements, i. H.
geringstmögliche Abweichungen von durch die zwei Anforderungen vorgegebenen Zielspektren zeigt. Vorliegend zeigt das erste Spektrum 31 die Auswirkungen der Auswahl von kleinen Werten bei der Bestimmung eines ersten Gewichtungsfaktors, so dass niedrige Frequenzen, bspw. in einem Bereich 35 im Vergleich zu höheren shows the lowest possible deviations from the target spectra given by the two requirements. In the present case, the first spectrum 31 shows the effects of the selection of small values in the determination of a first weighting factor, so that low frequencies, for example in a region 35 in comparison to higher ones
Frequenzen in einem Bereich 37 verhältnismäßig stark gedämpft werden. Durch den Einfluss des zweiten Gewichtungsfaktors kommt es jedoch im Bereich 35 zu einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Ausreißern 39, die zu Störungen in Drittgeräten führen könnten. Frequencies in a range 37 are relatively strongly attenuated. Due to the influence of the second weighting factor, however, a relatively small number of outliers 39 occur in region 35, which could lead to disturbances in third-party devices.
Der Fall, dass große Werte zur Bestimmung des ersten Gewichtungsfaktors gewählt werden, so dass niedrige Werte eines jeweiligen Störsignals toleriert bzw. höhere Werte des Störsignals gedämpft werden, ist durch das zweite Spektrum 33 dargestellt, das insbesondere bei hohen Frequenzen gedämpft wird, wobei einzelne sehr starke Ausreißer 39 auftreten, die als Störsignale Einfluss auf Drittgeräte haben könnten. Es hat sich herausgestellt, dass eine Möglichkeit zur Reduktion der Ausreißer 39 darin besteht, eine 5 Anzahl von Simulationsschritten von Schaltzuständen der Leistungselektronik und damit verbunden von jeweiligen Schaltzuständen der Leistungshalbleiter, die bei der The case that large values are chosen to determine the first weighting factor, so that low values of a respective interference signal tolerates or higher values the interference signal is attenuated, is represented by the second spectrum 33, which is attenuated especially at high frequencies, with individual very strong outliers 39 occur, which could have as interference on third party equipment. It has been found that one way of reducing the outliers 39 is to perform a number of simulation steps of switching states of the power electronics and, associated therewith, of respective switching states of the power semiconductors that are involved in the
Berechnung des zweiten Spektrums 33 berücksichtigt werden, zu erhöhen. Dies bedeutet, dass eine Simulation von einer Vielzahl, wie bspw. 2, 5, 10 oder 100 in der Zukunft liegenden Schaltzuständen, die Ausreißer reduziert bzw. minimiert. Calculation of the second spectrum 33 can be considered to increase. This means that a simulation of a large number of switching states, such as 2, 5, 10 or 100 in the future, reduces or minimizes outliers.
10 10
In Figur 4 ist ein Spektrum 43 dargestellt, das in ein Diagramm eingetragen wurde, das sich auf der Abszisse über eine Frequenz in der Einheit Hz und auf der Ordinate über eine normierte relative Amplitude erstreckt. Durch Anwendung einer Filterfunktion wurde ein dem Spektrum 43 zugrundeliegendes Fehlersignal derart aufbereitet, dass das Spektrum 15 43 einen stark abflachenden Randbereich 45 zeigt, durch den jeweilige Störfrequenzen gemäß einer jeweiligen Anforderung herausgefiltert bzw. unterdrückt werden können. FIG. 4 shows a spectrum 43 which has been entered into a diagram which extends over the abscissa over a frequency in the unit Hz and on the ordinate above a normalized relative amplitude. By applying a filter function, an error signal underlying the spectrum 43 was processed in such a way that the spectrum 15 43 shows a strongly flattening edge region 45, by which respective interference frequencies can be filtered out or suppressed according to a respective requirement.
In Figur 5 ist ein Spektrum 51 dargestellt, das in ein Diagramm eingetragen wurde, das sich auf der Abszisse über eine Frequenz in der Einheit Hz und auf der Ordinate über eineIn Figure 5, a spectrum 51 is shown, which was plotted on a graph which is on the abscissa over a frequency in the unit Hz and on the ordinate over a
20 normierte relative Amplitude erstreckt. Durch Anwendung einer mathematischen 20 normalized relative amplitude extends. By applying a mathematical
Filterfunktion wurde ein Bereich 53 innerhalb des Spektrums 51 , bei ca. 5000 Hz mit einer Breite von ca. 400 Hz gedämpft, um eine spektrale Lücke in dem Spektrum 51 zu erzeugen, so dass ein Drittgerät, dass sensitiv für Störsignale im Bereich von 5000 Hz ist, störungslos parallel zu einer entsprechend geregelten Leistungselektronik betrieben Filter function was a range 53 within the spectrum 51, attenuated at about 5000 Hz with a width of about 400 Hz to create a spectral gap in the spectrum 51, so that a third party that sensitive to interference in the range of 5000 Hz is operated without interference parallel to a correspondingly regulated power electronics
25 werden kann. 25 can be.
In Figur 6 ist Spektrum 54 dargestellt, welches das Spektrum eines Schaltsignals eines Schalters einer Leistungselektronik unter der Anwendung einer Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens zeigt, welches in ein Diagramm eingetragen wurde, das sich auf 30 der Abszisse über eine Frequenz in der Einheit Hz und auf der Ordinate über eine normierte relative Amplitude erstreckt. Durch Anwendung einer vorberechneten mathematischen Filterfunktion werden gleichzeitig zwei Bereiche 55 und 56 von dem vorgestellten Regelungsverfahren gedämpft, um zwei spektrale Lücken in dem Spektrum 54 zu erzeugen, sodass ein Drittgerät, dass sensitiv für Störsignale in diesen beiden Bereichen ist, störungslos parallel zu einer entsprechend geregelten Leistungselektronik betrieben werden kann. In Figure 6 spectrum 54 is shown, which shows the spectrum of a switching signal of a switch of a power electronics using an embodiment of the presented method, which was plotted on a graph that is on 30 of the abscissa over a frequency in the unit Hz and on the Ordinate over one normalized relative amplitude extends. By applying a precomputed mathematical filtering function, two regions 55 and 56 are simultaneously attenuated by the presented control method to produce two spectral gaps in the spectrum 54 such that a third device sensitive to spurious signals in these two regions operates smoothly in parallel with a correspondingly controlled one Power electronics can be operated.
Bei dem in Figur 7 dargestellten Ablauf wird das vorgestellte Verfahren 60 in einer kaskadierten Regelung angewendet, um die Ausgangsspannung 62 eines In the process illustrated in FIG. 7, the presented method 60 is applied in a cascaded control to control the output voltage 62 of a
Gleichspannungswandlers 61 mithilfe einer äußeren Regelschleife 59 zu regeln. Dabei wird der Spannungsfehler 64 berechnet, indem die Ausgangsspannung 62 des DC converter 61 to control using an outer control loop 59. In this case, the voltage error 64 is calculated by the output voltage 62 of the
Gleichspannungswandlers 61 von dem Sollwert 57 subtrahiert wird. Aus dem DC-DC converter 61 is subtracted from the setpoint 57. From the
Spannungsfehler 64 kann folglich der Eingang zur Spannungsregelungsmethode 63 (z. B. Pl-Regler) berechnet werden. Das Verhältnis des Spannungsfehlers 64 zur Voltage error 64 can thus be used to calculate the input to the voltage regulation method 63 (eg PI controller). The ratio of the voltage error 64 to
Eingangsspannung wird von der zahlenwertigen Repräsentation der Schaltzustände subtrahiert, und als Eingang des äußeren Spannungsreglers 63 verwendet. Der äußere Spannungsregler 63 berechnet den Eingang des in der Erfindung vorgestellten Input voltage is subtracted from the numerical representation of the switching states, and used as input to the external voltage regulator 63. The external voltage regulator 63 calculates the input of the present invention
Verfahrens 60. Das vorgestellte Verfahren 60 berechnet mithilfe einer Method 60. The presented method 60 calculates using a
Frequenztransformation aus diesem Wert die optimalen Schaltsignale zur Ansteuerung mindestens eines Schalters der Leistungselektronik 61. Frequency transformation from this value, the optimal switching signals for controlling at least one switch of the power electronics 61st
Bei dem in Figur 8 dargestellten Ablauf sind Sollwerte 58 durch jeweilige spezifizierte Anforderungen und vergangene Werte 70 aus einer Historie von Schaltzuständen einer Leistungselektronik bekannt. Mittels der Ermittlung aller möglichen Schaltzustände einer Leistungselektronik 71 und 7 , und deren Subtrahierung 65 von dem Sollwertsignal, werden alle möglichen zukünftigen Schaltzustände einer Leistungselektronik und die Historie von Schaltzuständen der Leistungselektronik mit einem zeitlich exponentiell abfallenden Fenster 66 multipliziert, um die Eingangssignale als Vektoren für die In the process illustrated in FIG. 8, setpoints 58 are known by respective specified requirements and past values 70 from a history of switching states of power electronics. By means of the determination of all possible switching states of a power electronics 71 and 7, and their subtraction 65 from the setpoint signal, all possible future switching states of power electronics and the history of switching states of the power electronics with a temporally exponentially decaying window 66 are multiplied to the input signals as vectors for the
Frequenztransformation 67 bereitzustellen. Die Resultate der Frequenztransformation 67 werden mit einem Zielspektrum 68 verglichen, woraus ein Fehlersignal im Frequenzbereich berechnet wird. Aus allen möglichen Schaltzuständen wird der Frequency transformation 67 provide. The results of the frequency transformation 67 are compared with a target spectrum 68, resulting in an error signal in the Frequency range is calculated. From all possible switching states of the
Schaltzustand mit dem für die Anwendung optimalsten Fehlersignal im Frequenzbereich in Schritt 69 bestimmt, und als Schaltsignal 74 eines Schalters einer Leistungselektronik ausgegeben. Switching state determined with the most optimal for the application error signal in the frequency domain in step 69, and output as a switching signal 74 of a switch power electronics.
Bei dem in Figur 9 dargestellten Ablauf sind Sollwerte 58 durch jeweilige spezifizierte Anforderungen und vergangene Werte 70 aus einer Historie von Schaltzuständen einer Leistungselektronik bekannt. Mittels der Ermittlung aller möglichen Schaltzustände einer Leistungselektronik 71 und 7 , werden alle möglichen zukünftigen Schaltzustände einer Leistungselektronik und die Historie von Schaltzuständen der Leistungselektronik evaluiert, um die Anzahl der Schaltvorgänge in dem untersuchten Zeitfenster für alle möglichen zukünftigen Schaltzustände in einem Schritt 72 zu bestimmen. Daraufhin wird in einem Schritt 73 aus allen möglichen zukünftigen Schaltzuständen der zukünftige Schaltzustand, der am besten in Einklang mit den im Voraus bestimmten Vorgaben (z. B. minimale Anzahl an Schaltzuständen) ist, ausgewählt, und in Schritt 75 als Schaltsignal eines Schalters einer Leistungselektronik ausgeben. In the flow shown in FIG. 9, set values 58 are known by respective specified requirements and past values 70 from a history of switching states of power electronics. By means of the determination of all possible switching states of a power electronics 71 and 7, all possible future switching states of a power electronics and the history of switching states of the power electronics are evaluated to determine the number of switching operations in the examined time window for all possible future switching states in a step 72. Then, in a step 73, among all possible future switching states, the future switching state that is best in accordance with the predetermined specifications (eg, minimum number of switching states) is selected, and in step 75, a switching signal of a switch of power electronics output.
Bei dem in Figur 10 dargestellten Ablauf sind Sollwerte 58 durch jeweilige spezifizierte Anforderungen und vergangene Werte 70 aus einer Historie von Schaltzuständen einer Leistungselektronik bekannt. Der dargestellte Ablauf kombiniert die Rechenvorgänge der dargestellten Abläufe in Figur 8 und Figur 9. Hierbei wird sowohl die Anzahl der In the process illustrated in FIG. 10, setpoints 58 are known by respective specified requirements and past values 70 from a history of switching states of power electronics. The illustrated sequence combines the calculations of the processes shown in Figure 8 and Figure 9. Here, both the number of
Schaltzustände in dem untersuchten Zeitfenster als auch das Fehlersignal im Switching states in the examined time window as well as the error signal in
Frequenzbereich aller möglichen Schaltzustände für alle möglichen zukünftigen Frequency range of all possible switching states for all possible future ones
Schaltzustände berücksichtigt, um die Auswahl des zukünftigen Schaltzustands der Leistungselektronik zu berechnen. Hierbei werden die mit dem Zielspektrum 68 verglichenen Ausgangssignale im Frequenzbereich aller möglichen zukünftigen Switching states taken into account to calculate the selection of the future switching state of the power electronics. Here, the output signals compared with the target spectrum 68 in the frequency range of all possible future
Schaltzustände und die Anzahl der Schaltzustände in dem untersuchten Zeitfenster für alle möglichen zukünftigen Schaltzustände in einem Schritt 77 mit einem vordefinierten Gewichtungsfaktor multipliziert, um eine gewichtete Bewertung zu berechnen. Daraufhin werden in einem Schritt 78 für alle möglichen zukünftigen Schaltzustände die gewichteten Berechnungen addiert, um die Gesamtbewertung jedes möglichen Switching states and the number of switching states in the examined time window for all possible future switching states in a step 77 multiplied by a predefined weighting factor to calculate a weighted evaluation. Thereafter, in a step 78 for all possible future switching states the weighted calculations added to the overall rating of each possible
zukünftigen Schaltzustandes zu ermitteln. Diese werden analog zu 69 und 73 durch ein im Voraus bestimmtes Verfahren 76 verglichen, um den optimalen zukünftigen determine future switching state. These are compared, analogous to 69 and 73, by a predefined method 76 to determine the optimal future
Schaltzustand zu identifizieren. Der optimale zukünftige Schaltzustand wird in Schritt 79 an einen Schalter einer Leistungselektronik weitergegeben. To identify switching state. The optimum future switching state is passed on in step 79 to a switch of power electronics.
Eine Ausführungsform der vorgestellten Erfindung umfasst mindestens eine integrierte Schaltung, vorzugsweise einen digitalen Signalprozessor (DSP), ein Field-programmable- Gate-Array (FPGA) oder eine applikationsspezifische integrierte Schaltung ASIC, um das Verfahren zu implementieren. Vorzugsweise misst diese Ausführungsform mittels mindestens einer Spannungsmessung mindestens eine elektrische Spannung an mindestens einem elektrischen Anschlusspaar und konvertiert das mindestens eine Signal der mindestens einen Spannungsmessung mittels einer analog-digital-Wandlung in digitale Werte für die genannte mindestens eine integrierte Schaltung. Vorzugsweise An embodiment of the present invention includes at least one integrated circuit, preferably a digital signal processor (DSP), a field programmable gate array (FPGA), or an application specific integrated circuit ASIC to implement the method. This embodiment preferably measures at least one electrical voltage on at least one electrical connection pair by means of at least one voltage measurement and converts the at least one signal of the at least one voltage measurement into digital values for the at least one integrated circuit by means of an analog-to-digital conversion. Preferably
implementiert diese Ausführungsform eine kaskadierte Regelung, bei der beispielsweise eine spektrale Regelung in eine Spannungsregelung eingebettet ist. For example, this embodiment implements a cascaded control in which, for example, a spectral control is embedded in a voltage control.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Erfindung ferner mindestens eine digitale Frequenztransformation, vorzugsweise eine diskrete Fourier-Transformation. Die mindestens eine Frequenztransformation kann insbesondere mindestens ein digitales Spannungssignal unmittelbar oder mittelbar nach weiteren mathematischen Operationen in einen Frequenzbereich transformieren. Ferner kann diese Ausführungsform In a preferred embodiment, the invention further comprises at least one digital frequency transformation, preferably a discrete Fourier transformation. In particular, the at least one frequency transformation can transform at least one digital voltage signal into a frequency range directly or indirectly after further mathematical operations. Furthermore, this embodiment
mindestens ein Schieberegister umfassen. Das mindestens eine Schieberegister speichert vorzugsweise vergangene Schaltzustände der Leistungselektronik, wobei der älteste Wert in dem Speicher in jedem Taktschritt gelöscht werden kann, wenn ein neuer Wert hinzugefügt wird. Die Ausgabe der Schaltzustände, die aufgrund der Simulation der möglichen Schaltzustände als optimal identifiziert wurden, kann mittels mindestens einem digitalen Ausgang der mindestens einen integrierten Schaltung erfolgen. Vorzugsweise umfasst die Ausführungsform neben dem mindestens einen digitalen Ausgang ferner mindestens einen Gate-Treiber, der mindestens ein Signal des mindestens einen digitalen Ausganges empfängt und dieses Signal für mindestens einen elektronischen Schalter elektrisch verstärkt. include at least one shift register. The at least one shift register preferably stores past power electronics switching states, wherein the oldest value in the memory may be cleared in each timing step when a new value is added. The output of the switching states, which were identified as optimal due to the simulation of the possible switching states, can take place by means of at least one digital output of the at least one integrated circuit. In addition to the at least one digital output, the embodiment preferably further comprises at least one gate driver which receives at least one signal of the at least one digital output and electrically amplifies this signal for at least one electronic switch.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Regelungskaskade, die mindestens eine Spannungsregelung und mindestens eine spektrale Regelung umfasst, ferner mindestens zwei integrierte Schaltungen umfassen, wobei davon mindestens eine integrierte In a further embodiment, the control cascade comprising at least one voltage regulation and at least one spectral regulation may further comprise at least two integrated circuits, at least one of which is integrated
Schaltung eine Spannungsregelung umfassend mindestens einen analog-digital-Wandler, mindestens einen digitalen Ausgang zur Ausgabe von Schaltzuständen und mindestens einen Regler implementiert und mindestens eine integrierte Schaltung eine spektrale Regelung umfassend mindestens eine Frequenztransformation, mindestens ein Circuit voltage regulation comprising at least one analog-to-digital converter, at least one digital output for outputting switching states and at least one controller implemented and at least one integrated circuit spectral control comprising at least one frequency transformation, at least one
Schieberegister, mindestens eine Vektordifferenzeinheit zur Berechnung der Differenz zweier Vektoren und mindestens eine kumulative Summeneinheit, die als Eingang mindestens einen Vektor erhält und die Summe der Einträge des Vektors berechnet, implementiert. Bei Berechnung der Differenz zweier Vektoren wird vorzugsweise unmittelbar oder mittelbar nach weiteren mathematischen Operationen die Shift register, at least one vector difference unit for calculating the difference between two vectors and at least one cumulative sum unit, which receives as input at least one vector and calculates the sum of the entries of the vector implemented. When calculating the difference of two vectors is preferably directly or indirectly after further mathematical operations, the
Vektordifferenz zwischen den Spektren von einer simulierten Spannung und einem Zielspektrum berechnet. Vector difference between the spectra calculated from a simulated voltage and a target spectrum.
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|---|---|
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