CN101047360A - 用于增加交流电机在低频下的转矩输出的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供用于控制交流电机转矩输出的方法和装置。该方法包括以下步骤：通过比较交流电机的基波输出频率和预定频率来执行第一次比较，通过比较指令电流和预定直流的幅值来执行第二次比较，基于第一次比较和第二次比较产生电流，以及将该电流提供给交流电机。

Description

用于增加交流电机在低频下的转矩输出的方法和装置

技术领域

本发明大致涉及控制交流(AC)电机，更具体而言涉及用于控制正弦绕线交流电机的转矩输出的装置和方法。

背景技术

交流电机用于多种应用场合，包括机动车应用领域，例如用于牵引控制。用于机动车应用领域的交流电机通常(例如经电压源逆变器)控制为使得电机相电流为正弦电流。这些交流电机通常是永磁电机，其设计成具有正弦形反电动势(emf)波形。将正弦形输入电流供给到交流电机通常会产生最高的平均转矩，而没有额外的低频谐波，该低频谐波会导致交流电机转矩波动。

当在交流电机的基本输出周期内以更高频率操作交流电机时，电压源逆变器中的热应力通常会在开关网络中(例如，在基于晶体管-二极管组合的六个开关中)均匀地分布。在低频下，包括停止，这些开关的瞬态热阻抗会在小于该基本输出周期的周期内发生。因此，电压源逆变器中的热应力会短时期内不均匀地分布，一些开关响应于该不均匀分布会升高温度，从而限制这些开关的载流容量。根据基波输出频率的操作范围，相对于较高的基波频率下操作的电压源逆变器的输出电流容量，低频下电压源逆变器的输出电流容量包括直流(DC)会大幅度减小。

因此，希望提供一种用于在较低操作频率下控制交流电机转矩输出的方法。此外，还希望提供一种电压源逆变器，其控制交流电机以在较低操作频率下增加转矩输出。而且，结合附图和上述技术领域及背景技术，通过下面的详细说明和权利要求，本发明的其他期望特性和特征将变得清楚明显。

发明内容

提供用于控制交流电机转矩输出的方法和装置。在示例性实施例中，提供一种用于控制交流电机的方法。该方法包括以下步骤：通过比较交流电机的基波输出频率和预定频率来执行第一次比较，通过比较指令电流和预定直流的幅值来执行第二次比较，基于第一次比较和第二次比较产生电机电流，以及将该电机电流提供给交流电机。

在另一个示例性实施例中，提供一种用于控制正弦交流电机的方法，包括以下步骤：检测正弦交流电机的基波输出频率和指令电流幅值，当基波输出频率大于预定频率时产生具有正弦波形的第一电流，当基波输出频率小于预定频率且指令电流幅值小于预定直流时产生第一电流，当基波输出频率小于预定频率且指令电流幅值大于预定直流时产生具有梯形波形的第二电流，以及将第一电流或第二电流之一提供给正弦交流电机。

用于控制交流电机的转矩输出的电压源逆变器包括控制器和开关网络，该开关网络的输入连接到控制器，输出连接到交流电机。该控制器用于比较交流电机的基波输出频率和预定频率，比较电压源逆变器的指令电流幅值和预定直流，以及基于基波输出频率和指令电流幅值传送信号。该开关网络用于响应于该信号而产生电流。在一个实施例中，基于该信号，该电流具有正弦波形或者梯形波形。

附图说明

下面将结合附图来描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的部件，以及

图1是根据本发明的示例性实施例的电压源逆变器的示意图；

图2是图1所示的逆变器电路的示意图；

图3是用于说明交流电机系统的操作的相电流波形；

图4是用于说明图1所示的电压源逆变器10的操作的、根据本发明的示例性实施例的相电流的相电流波形和基波分量波形；

图5是用于说明波形特性的梯形波形；

图6是根据示例性实施例的相电流波形；

图7是根据另一个示例性实施例的相电流波形；

图8是根据另一个示例性实施例的相电流波形；以及

图9是根据本发明的示例性实施例的用于控制电压源逆变器的方法。

具体实施方式

下面的详细说明实际上仅仅是示例性的描述，而不用于限制本发明或本发明的应用和使用。而且，不应当受到上述技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细说明的任何明示或暗示理论的限制。

参照图1，示出根据本发明的示例性实施例的电压源逆变器系统10。该电压源逆变器系统10包括控制器32、连接到控制器32的逆变器电路30以及连接到该逆变器电路30的交流(AC)电机12。通常，控制器32具有第一输入和第二输入，其中第一输入用于接收脉宽调制(PWM)信号，第二输入用于接收交流电机12的基波输出频率，例如经连接到交流电机的直接反馈回路或间接经逆变器电路30来进行接收。控制器32产生由逆变器电路30接收的输出信号，该逆变器电路30然后将该输出信号转换成用于操作交流电机12的调制电压波形。交流电机12是例如机动车(例如，牵引驱动控制系统等等)中通常使用的正弦绕线交流电机(例如，永磁电机或感应电机)。

图2是图1的逆变器电路30的更为详细的视图。逆变器电路30是连接到交流电机12的三相电路。更具体而言，逆变器电路30包括电压源(14，16)和开关网络，该开关网络的第一输入连接到电压源(14，16)，输出连接到交流电机12。虽然示出的电压源(14，16)是具有两个串联源的分布式交流链路，但是也可以使用单个电压源。

开关网络包括具有对应于每相的反向并联二极管(也就是，反向并联每个开关)的三对串联开关。每对串联开关包括第一端连接到电压源(14，16)的正极的第一开关(18，22，26)和第二端连接到电压源(14，16)的负极的第二开关(20，24，28)，并且第二开关的第一端分别连接到第一开关(18，22，26)的第二端。

图3是用于说明交流电机系统的操作的相电流波形。用于控制交流电机的传统电压源逆变器通常产生三个均具有幅值(I_dc)的正弦形相电流(i_a，i_b和i_c)。为了在更低基波频率下运行交流电机，通常由传统电压源逆变器来产生具有更低幅值的电流，这又会降低交流电机产生的转矩。

图4是用于说明图1所示的电压源逆变器10的操作的、根据本发明的示例性实施例的相电流的相电流波形和基波分量波形。在该示例性实施例中，图1所示的电压源逆变器10产生三个均具有幅值(I_dc)的梯形相电流(i_a，i_b和i_c)。每个梯形相电流(i_a，i_b和i_c)和基波分量(分别是40，42和44)相关。对于梯形相电流的给定幅值(I_dc)，其基本上等于图3所示的正弦形相电流的幅值，基波分量(40，42和44)大于图3所示的正弦相电流的幅值。该较大的基波分量(40，42和44)相对于直流限度而总体增加了交流电机的转矩输出。

参照图1和4，控制器32确定交流电机30的基波输出频率何时小于预定门限频率。该预定门限频率根据多个系统目标(例如，当基波分量超过输入正弦电流的幅值时)而定，优选为大约3赫兹，但是可以根据例如模块设计的多种因素而变。该预定门限值存储在控制器32中以便在交流电机12操作期间实时索取。当交流电机30的基波输出频率大于该预定门限频率时，控制器32传输第一信号，指示逆变器电路30输出三相正弦电流。当交流电机30的基波输出频率小于该预定门限频率时，控制器32则确定来自逆变器电路30的指令相电流的幅值何时大于逆变器电路30的直流载流容量(例如，I_dc)。当来自逆变器电路30的指令相电流的幅值小于逆变器电路30的直流载流容量时，控制器32继续传输第一信号，以便控制逆变器电路30输出三相正弦电流。当来自逆变器电路30的指令相电流的幅值大于逆变器电路30的直流载流容量时，控制器32传输第二信号，指示逆变器电路30输出三相梯形电流。此外，控制器32可以构造三相梯形电流的形状，以实现多种系统目标。

图5是用于说明波形特性的梯形波形。该梯形波形的特征在于三个参数：幅值(I_dc)(例如，梯形电流的幅值)、梯形波形的底区宽度(α₁)以及梯形波形的顶区宽度(α₂)。对于没有中性线的三相永磁交流电机，三相电流的和根据基尔霍夫定律等于零。因此，宽度(α₁和α₂)的值根据以下得出：

2π/3≤α₁≤π，以及

α₁+α₂＝4π/3。

图6是根据示例性实施例的相电流波形，示出当α₁＝2π/3时下限相电流(i_a、i_b和i_c)(例如，方波)。类似的，图7所示的相电流波形示出当α₁＝5π/6时的相电流(i_a、i_b和i_c)，图8所示的相电流波形示出当α₁＝π时的上限相电流(i_a、i_b和i_c)。

图9是根据本发明的示例性实施例用于控制电压源逆变器的方法的流程图。参照图1和9，该方法起始于步骤100。在步骤105，控制器32检测交流电机12的基波输出频率。然后在步骤110，控制器32确定交流电机12的基波输出频率是否大于预定频率。当交流电机12的基波输出频率大于预定频率时，控制器32在步骤115产生第一信号，指示逆变器电路30输出三相正弦电流(“指令电流”)。当交流电机30的基波输出频率小于预定频率时，控制器32在步骤120则确定来自逆变器电路30的指令相电流的幅值是否大于逆变器电路30的直流载流容量。当来自逆变器电路30的指令相电流的幅值小于逆变器电路30的直流载流容量时，控制器32在步骤115继续输出第一信号，控制逆变器电路30输出三相正弦电流。当来自逆变器电路30的指令相电流的幅值大于逆变器电路30的直流载流容量时，控制器32在步骤125产生第二信号，控制逆变器电路30输出三相梯形电流。在步骤130，三相梯形电流和三相正弦电流由逆变器电路30供给到交流电机12。此外，控制器32可以选择梯形波形的底区宽度(α₁)和顶区宽度(α₂)，以使得2π/3≤α₁≤π，以及α₁+α₂＝4π/3。

虽然在前述详细描述中说明了至少一个示例性实施例，但是应当理解的是，还存在许多种变型。还应当理解的是，示例性实施例仅仅只是示例，而不用于以任何方式限制本发明的范围、应用或者结构。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供便利的路线图来实现这些示例性实施例。应当理解的是，可以对部件的功能和结构进行变型，而不会脱离本发明的范围，本发明的范围由所附的权利要求及其法律等价物来限定。

Claims (20)

1.一种用于控制交流(AC)电机的方法，该方法包括以下步骤：

通过比较交流电机的基波输出频率和预定频率来执行第一次比较；

通过比较指令电流和预定直流(DC)的幅值来执行第二次比较；

基于第一次比较和第二次比较产生电机电流；以及

将该电机电流提供给交流电机。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述产生步骤包括控制电压源逆变器产生该电流。

3.根据权利要求2所述的方法，其中该预定直流包括电压源逆变器的直流载流容量。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括检测交流电机的基波输出频率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述产生步骤包括当该基波输出频率大于预定频率时产生具有正弦波形的电机电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述执行第二次比较的步骤包括当该基波输出频率小于预定频率时将该指令电流和预定直流进行比较。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述产生步骤包括当该基波输出频率小于预定频率且指令电流小于预定直流(DC)时产生具有正弦波形的电机电流。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述产生步骤包括当该基波输出频率小于预定频率且指令电流大于预定直流时产生具有梯形波形的电机电流。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述产生步骤包括当该基波输出频率小于预定频率且指令电流大于预定直流时产生具有梯形波形的电机电流，该梯形波形具有第一波形特性(α₁)和第二波形特性(α₂)，其中2π/3≤α₁≤π且α₁+α₂＝4π/3。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述执行第一次比较的步骤包括将该基波输出频率和大约3赫兹的预定频率进行比较。

11.一种用于控制正弦交流电机的方法，该方法包括以下步骤：

检测正弦交流电机的基波输出频率和指令电流幅值；

当基波输出频率大于预定频率时产生具有正弦波形的第一电流；

当基波输出频率小于预定频率且指令电流幅值小于预定直流时产生第一电流；

当基波输出频率小于预定频率且指令电流幅值大于预定直流时产生具有梯形波形的第二电流；以及

将第一电流或第二电流之一提供给正弦交流电机。

12.根据权利要求11所述的方法，其中该梯形波形具有第一波形特性(α₁)和第二波形特性(α₂)，其中所述产生第二电流的步骤包括选择第一波形特性(α₁)和第二波形特性(α₂)，其中2π/3≤α₁≤π且α₁+α₂＝4π/3。

13.根据权利要求11所述的方法，其中当基波输出频率大于预定频率时产生具有正弦波形的第一电流的所述步骤包括指示电压源逆变器产生第一电流；

其中当基波输出频率大于预定频率且指令电流幅值小于预定直流时产生第一电流的所述步骤包括指示电压源逆变器产生第一电流；以及

其中产生第二电流的所述步骤包括控制电压源逆变器产生第二电流。

14.根据权利要求13所述的方法，其中该预定直流包括电压源逆变器的直流载流容量。

15.根据权利要求13所述的方法，其中该指令电流幅值包括从电压源逆变器到交流电机的相电流幅值。

16.一种用于控制交流电机的转矩输出的电压源逆变器，该电压源逆变器包括：

控制器，该控制器构制用于：

比较交流电机的基波输出频率和预定频率；

比较电压源逆变器的指令电流幅值和预定直流；以及

基于基波输出频率和指令电流幅值传送信号；以及

开关网络，该开关网络的输入连接到该控制器，输出连接到该交流电机，该开关网络用于响应于该信号而产生电流，基于该信号，该电流的波形选自正弦波形和梯形波形之一。

17.根据权利要求16的电压源逆变器，其中该控制器还构制用于：

当该基波输出频率大于该预定频率时传输第一信号；

当该基波输出频率小于该预定频率且该指令电流幅值小于该预定直流时传输第一信号；以及

当该基波输出频率大于该预定频率且该指令电流幅值大于该预定直流时传输第二信号。

18.根据权利要求17的电压源逆变器，其中该开关网络还构制用于：

响应于第一信号产生具有正弦波形的第一电流；以及

响应于第二信号产生具有梯形波形的第二电流。

19.根据权利要求16的电压源逆变器，其中该控制器还构制用于：

选择该梯形波形的第一波形特性(α₁)和该梯形波形的第二波形特性(α₂)，其中2π/3≤α₁≤π且α₁+α₂＝4π/3；以及

基于第一波形特性(α₁)和第二波形特性(α₂)产生该第二信号。

20.根据权利要求16的电压源逆变器，其中该预定直流包括电压源逆变器的直流载流容量，以及其中该指令电流幅值包括电压源逆变器的指令相电流幅值。

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