CN101083448A - 用于电压源逆变器的脉宽调制控制的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

考虑到逆变器非线性的限制，PWM方法和装置提供用于交流电机损失最小化的控制。该方法包括基于开关周期提供电压到交流电机，当开关周期的第一相脚的占空比小于最小占空比时，增加零向量的占空比到开关周期的每个相脚中，并且当第二相脚的第二占空比大于最大占空比时，从开关周期的每个相脚中减去零向量的占空比。最小占空比和最大占空比表示失真区域。

Description

用于电压源逆变器的脉宽调制控制的方法和装置
技术领域
本发明通常涉及控制交流(AC)电机，并且更特别涉及用于控制正弦缠绕的交流电机的扭矩输出的装置和方法。
背景技术
交流电机用于各种应用中，包括车辆应用，诸如牵引力控制中。在车辆应用中的交流电机通过借助于电压源逆变器进行控制。非连续的脉宽调制(DPWM)方法通常使用在逆变器控制器中，以控制三相的电压源逆变器的基本输出电压分量。这些三相电压源逆变器依次用来控制三相交流电机的相电流。与连续的脉宽调制(PWM)方法相比，例如正弦或者空间向量调制，DPWM方法减少了逆变器损失。
DPWM方法通常不同于连续的PWM，因为DWPM方法在三相电压源逆变器的一个给定的开关周期中使用单个零向量。另外，在DWPM方法中，对于电周期的60度(60°)部分，在三相电压源逆变器中的每个开关通常没有切换，或者箝位。相对于三相电压源逆变器的输出电压的60度(60°)箝位部分(clamped segement)的位置和负荷功率因数通常确定了DPWM方法的类型和产生的PWM性能。例如，当箝位部分设置使得损耗对于30度(30°)的超前功率因数负载最优化时，DPWM方法称为DPWM0。DPWM1指的是当箝位部分设置以对于单位功率因数负载最优化切换损耗时，并且DPWM2指的是当箝位部分设置以对于30度(30°)滞后功率因数负载最优化切换损耗时。
大多数与电压源逆变器一起使用的DPWM方法易受到由于电压源逆变器的实际限制引起的电压失真的影响，例如逆变器闭锁时间，或者死区时间，和最小脉宽限制。这些实际限制通常是非线性的效果，其表明有限的和可控制的最小和最大脉宽。用于相脚(phaseleg)的，电压源逆变器的任一逆变器开关能够无限地保持“ON(接通)”，以分别以0或者1的占空比，产生脉冲宽度的离散值。在一些工作条件期间，对于特定的相脚的指令占空比具有在最小和最大可实现的脉宽之间的脉宽，以及0和1的对应的离散值。非线性效果产生不可实现的区域(例如，在最小和最大可实现的脉宽之间和0和1的对应的离散值)，这可对电压源逆变器的每个相发生。
因此，需要提供一种在运行三相交流电机时最小化逆变器切换损耗的方法。此外，需要提供一种用于控制交流电机的具有最小切换损耗的电压源逆变器。而且，结合附图和前述的技术领域和背景，本发明的其它需要的特征和和特性将从随后的详细说明和附加的权利要求中变得明显。
发明内容
提供用于控制交流电机，同时最小化由于逆变器非线性限制所造成的损失的方法和装置。该方法包括基于开关周期和输出电压向量提供电压到交流电机中，和当输出电压向量处于失真区域时，通过采用开关周期的零向量的占空比来修改开关周期的多个相脚每个的占空比。
在另一个示例的实施例中，提供用于控制交流电机的电压源逆变器。电压源逆变器包括具有输入端和输出端的控制器，开关网络，其具有连接到控制器的输出端的输入端和具有构造以连接到交流电机的输出端，和调制器，其具有连接到逆变器电路的输出端的输入端和连接到控制器的所述输入端的输出端。控制器被构造以产生第一信号。开关网络被构造以基于第一信号产生输出电压向量和零向量，并且提供相应于输出电压向量的电压到交流电机。当输出电压向量处于失真区域时，调制器被构造以基于开关网络修改零向量。
在另一个示例的实施例中，提供一种用于控制电压源逆变器的方法，其包括监控电压源逆变器的输出电压向量，当输出电压向量处于失真区域时，通过采用开关周期的零向量的占空比来修改开关周期的多个相脚的每个的占空比，来产生修改的开关周期，并且提供DPWM信号给电压源逆变器。DPWM信号具有修改的开关周期。
附图说明
本发明将结合下面的附图进行描述，其中相同的附图标记表示相同的部件，并且
图1是根据本发明的示例实施例的电压源逆变器系统的方框图；
图2是图1所示逆变器电路的示意图；
图3-5是对理解图1所示的电压源逆变器系统有用的具有失真区域的逆变器输出电压的图形；
图6是对理解图1所示的电压源逆变器系统有用的多个失真跨度的曲线图；
图7-10是对理解图1所示的电压源逆变器系统有用的相占空比；和
图11是根据本发明的示例实施例的用于控制交流电机的方法的流程图。
具体实施方式
下面的详细说明描述仅仅是示例的并且不意图限制本发明，其应用或者使用。而且，无意受到存在于先前技术领域、背景、发明内容或者以下具体实施方式中的任何表达或者暗含的理论的束缚。
参见图1，根据本发明的示例实施例示出了电压源逆变器系统10。电压源逆变器系统10包括控制器32，连接到控制器32的输出端的逆变器电路30，连接到逆变器电路30的第一输出端的交流电(AC)电机12，和调制器31，调制器31具有连接到逆变器电路30的第二输出端的输入端和具有连接到控制器32的输入端的输出端。通常来说，控制器32产生用于控制逆变器电路30的切换动作的脉宽调制(PWM)信号。在优选的实施例中，控制器32优选产生非连续的脉宽调制(DPWM)信号，其具有与逆变器电路30的每个开关周期相关的单个零向量。然后逆变器电路30转换脉宽调制信号为用于运行交流电机12的调制电压波形。交流电机12是正弦波缠绕的交流电机(例如，永久磁铁或者电感)，例如通常使用在机动车辆中(例如，牵引驱动控制系统等)。
为了优化交流电机12的运行，调制器31监控由逆变器电路30产生的调制电压波形，并且确定何时逆变器电路30的切换运行在失真区域中，其中失真区域基于与逆变器电路30相关的非线性的限制(例如，最小脉宽和死区时间)。当逆变器电路30运行在失真区域时，调制器31指示控制器32传送修改的DPWM信号，该信号用来补偿失真区域(例如，通过改变用于开关周期的每个相脚的占空比)。
图2是更详细的图1所示逆变器电路30。逆变器电路30是连接到交流电机12的三相电路。更具体地说，逆变器电路30包括电压源(14，16)和开关网络，该开关网路具有连接到电压源(14，16)的第一输入端和构造以连接到交流电机12的输出端。虽然电压源(14，16)显示为两个串联电源的分布式直流连接，还可使用单个电压源。
开关网络包括三对串联开关，其具有相应于每一相的反并联二极管(即，对每个开关反并联)。每一对串联开关包括第一开关(18，22，26)和第二开关(20，24，28)，其中第一开关具有连接到电压源(14，16)的正电极的第一端子，第二开关分别具有连接到电压源(14，16)的负电极上的第二端子和连接到第一开关(18，22，26)的第二端子的第一端子。为了监控逆变器电路30的开关周期以及输出电压向量，调制器31连接到逆变器电路30的输出端。
图3-5是对理解图1所示的电压源逆变器系统有用的，具有用灰色示出的失真区域的逆变器输出电压的图形。逆变器输出电压采用向量(例如，V1，V2，V3，V4，V5和V6)表示，它们相应于用于开关周期的每个相(例如，三相的每个)的开关。每个相具有两个(2)状态(例如，相应于离散的1和0)。例如，参见图2-5，V1是相应于第一对开关18，20的离散的1状态和第二和第三对开关22，24和26，28每个的离散的0状态的电压向量，V2是相应于第一和第二对开关18，20和22，24中每一个的离散的1状态和第三对开关26，28的离散的0状态的电压向量，V3是相应于第一和第三对开关18，20和26，28中每个的离散的0状态和第二对开关22，24的离散的1状态的电压向量，V4是相应于第一对开关18，20的离散的0状态和第二和第三对开关22，24和26，28中每个的离散的1状态的电压向量，V5是相应于第一和第二对开关18，20和22，24中每个的离散的0状态和第三对开关离散的1状态的电压向量，以及V6是相当于第一和第三对开关18，20和26，28中每个的离散的1状态和第二对开关22，24离散的0状态的电压向量。零向量(例如，在图形的中心)相应于或者开关18，20，22，24和26，28的每一对的离散的1状态，或者开关18，20，22，24和26，28的每一对的离散的0状态。
与DPWM0的30度(30°)超前功率因数负载相关的失真区域40在图3中示出，与DPWM1的单位功率因数负载相关的失真区域42在图4中示出，和与DPWM2有关的30度(30°)滞后功率因数负载相关的失真区域44在图5中示出。在所有的工作条件下，开关网络易受最小脉宽限制和死区时间限制的影响，这些限制是由失真区域表示的非线性限制。因为最小脉宽和死区时间的逆变器限制是固定的时间值，如图3和5最佳示出的失真区域的角宽度(θ)或者跨度随着输出电压的调制深度和开关网络的切换频率而变化。
开关18，20，22，24，26和28基于修改的统一DPWM(GDPWM)方法可能被激活(例如，关闭)，从而使得箝位部分根据功率因素或者其它的条件进行调整。通常，GDPWM方法对于混合动力车应用是优选的，因为逆变器损失可以优于连续的PWM方法得到减少。由于易于调制零向量，GDPWM能够构造用于任何运行情况。然而，采用GDPWM，失真区域可从扇形过渡区旋转一个角偏移量，因此GDPWM的失真区域连续改变。通过对由调制器31修改的来自控制器32的DPWM信号的输出脉冲的适当控制，这些非线性的效果(由失真区域表示)得到补偿。采用GDPWM的情况下，调制器31基于其角度随着负荷功率因数变化的最大相电流，选择零向量。
图6是对理解图1所示的电压源逆变器系统有用的多个失真跨度的图形。失真跨度基于切换频率(例如，2kHz，4kHz，6kHz，8kHz，10kHz和12kHz)和调制指数进行变化。因为失真跨度随着切换频率变化，仅仅根据指令电压向量的空间位置(例如，在图3-5中示出的空间向量图中)切换零向量不是实际的，因为当使用GDPWM时，失真区域连续改变。当输出电压向量处于失真区域时，通过直接运行在相占空比指令下，修改的GDPWM方法选择零向量。
图7-10是对理解图1所示的电压源逆变器系统有用的相占空比。图7示出了用于开关周期的相占空比(da，db和dc)。相占空比da在最小占空比dmin和离散的零之间的失真区域中，同时相占空比dc在离散的0处，并且相占空比db在dmin和最大的占空比dmax之间。图8示出了在零向量的占空比增加到图7所示的开关周期的每个相脚的占空比之后的相占空比(da，db和dc)。在图8中，相占空比da和dc现在是在dmin和dmax之间，db现在是在离散的1处。当输出电压向量处于dmin和离散的0之间的失真区域中时，通过增加零向量的占空比到开关周期中的每个相脚的占空比中，该失真区域通过电压源逆变器系统10得到补偿。
图9示出了用于另一个开关周期的相占空比(da，db和dc)。相占空比da是在dmax和离散的1之间的失真区域中，同时相占空比dc在离散的1处，并且相占空比db在dmin和最大的占空比dmax之间。图10示出了在零向量的占空比从图9所示的开关周期的每个相脚的占空比减去之后的相占空比(da，db和dc)。在图10中，相占空比da和dc现在是在dmin和dmax之间，db现在是在离散的0处。当输出电压向量处于dmin和离散的0之间的失真区域中时，通过从开关周期中的每个相脚的占空比中减去零向量的占空比，该失真区域通过电压源逆变器系统10得到补偿。
返回参见图1，在示例的实施例中，当输出电压向量处于失真区域时，调制器31传送控制信号或者调制信号到控制器32。通过用零向量的占空比来改变开关周期中每个相脚的占空比，此控制信号或者调制信号可改变DPWM信号。例如，当开关周期的相脚小于dmin(并且不是离散的0)时，调制器31增加零向量的占空比到开关周期中的每个相脚上。并且当开关周期的相脚大于dmax(并且不是离散的1)时，调制器31从开关周期中的每个相脚中减去零向量的占空比。控制器32传送修改的DPWM信号给逆变器电路30。
图11是根据本发明的示例的实施例用于控制交流电机的方法的流程图。该方法从步骤100开始。在步骤105处基于开关周期和输出电压向量提供电压给交流电机。开关周期具有多个相脚并且具有零向量。在步骤110处，当输出电压向量处于失真区域中时，多个相脚的每个的占空比通过零向量的占空比进行修改。当开关周期的第一相脚的占空比小于最小占空比时，零向量的占空比增加到多个相脚的每个中。最小占空比表明失真区域。当开关周期的第二相脚的占空比大于最大的占空比时，从多个相脚的每个中减去零向量的占空比。最大的占空比表明失真区域。
虽然至少一个示例的实施例已经在上述详细描述中提出，应该理解的是可存在许多变化。而且，应该理解的是本发明的示例的实施例或者多个示例的实施例仅仅是举例，并且不意图以任何方式限制本发明的范围，应用性或者构造。相反地，上述详细说明将提供给本领域技术人员用于实施示例的实施例或多个示例的实施例的适当的路线图。应该理解的是在不脱离本发明的范围之外可以在部件的功能和布置方面进行许多的改变，该范围在附加的权利要求和合法的等同物中阐述出。

Claims (20)

1.一种用于控制交流电机的方法，包括：
基于开关周期和输出电压向量提供电压到交流电机中，该开关周期具有多个相脚并且具有零向量；和
当输出电压向量处于失真区域中时，将多个相脚的每个的占空比修改零向量的占空比。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述修改步骤包括当开关周期的第一相脚小于最小占空比时，增加零向量的占空比到多个相脚的每个中，最小占空比表示失真区域。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述修改步骤包括当第二脚相的占空比大于最大的占空比时，从多个相脚的每个中减去零向量的占空比，最大的占空比表示失真区域。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述提供电压的步骤包括利用逆变器驱动交流电机。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述提供电压的步骤包括利用非连续的脉宽调制(DPWM)信号驱动逆变器。
6.如权利要求4所述的方法，其中最小占空比和最大占空比基于逆变器的最小脉宽和逆变器的死区时间中的至少一个。
7.如权利要求4所述的方法，其中所述提供电压的步骤包括基于最大相电流选择零向量，所述最大相电流具有随着逆变器的负荷功率因数变化的相位角。
8.用于控制交流电机的电压源逆变器，电压源逆变器包括：
具有输入端和输出端的控制器，所述控制器被构造以产生第一信号；
开关网络，其具有连接到所述控制器的所述输出端的输入端和具有被构造以连接到交流电机的输出端，所述开关网络被构造以：
基于所述第一信号产生输出电压向量和零向量；和
提供相应于所述输出电压向量的电压到交流电机；和
调制器，其具有连接到所述逆变器电路的所述输出端的输入端和具有连接到所述控制器的所述输入端的输出端，当所述输出电压向量处于失真区域时，所述调制器被构造以修改所述零向量，所述失真区域基于所述开关网络。
9.如权利要求8所述的电压源逆变器，其中所述第一信号是DPWM信号。
10.如权利要求8所述的电压源逆变器，其中所述调制器还被构造为当所述输出电压向量处于所述失真区域中时，提供第二信号到所述控制器，所述第二信号基于所述输出电压向量和所述零向量。
11.如权利要求8所述的电压源逆变器，其中所述第一信号具有开关周期，所述开关周期具有多个相脚，多个相脚的每个具有占空比；和其中所述控制器还被构造为当输出电压向量处于所述失真区域中时，对多个相脚的每个的所述占空比进行修改。
12.如权利要求11所述的电压源逆变器，其中所述控制器还被构造为当所述多个相脚之一的占空比小于最小占空比时，增加所述零向量的占空比到所述多个相脚的每个上，所述最小占空比表示所述失真区域。
13.如权利要求12所述的电压源逆变器，其中所述最小占空比是基于所述开关网络的最小脉宽和所述开关网络的死区时间中的至少一个。
14.如权利要求11所述的电压源逆变器，其中响应于所述第二信号，所述控制器还被构造为当所述多个相脚之一的占空比大于最大占空比时，从所述多个相脚的每个上减去所述零向量的占空比，所述最大占空比表示所述失真区域。
15.如权利要求14所述的电压源逆变器，其中所述最大占空比是基于所述开关网络的最小脉宽和所述开关网络的死区时间中的至少一个。
16.如权利要求8所述的电压源逆变器，其中所述失真区域是基于所述开关网络的最小脉宽和所述开关网络的死区时间中的至少一个。
17.一种用于控制电压源逆变器的方法，该方法包括：
监控电压源逆变器的输出电压向量，该输出电压向量基于开关周期，该开关周期具有多个相脚和零向量；
当输出电压向量处于失真区域中时，通过将多个相脚的每个的占空比修改零向量的占空比来产生修改的开关周期；和
提供DPWM信号给电压源逆变器，该DPWM信号具有修改的开关周期。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述产生修改的开关周期的步骤包括当开关周期的第一相脚的占空比小于最小占空比时，增加零向量的占空比到多个相脚的每个中，最小占空比表示失真区域。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述修改步骤包括当第二相脚的第二占空比大于最大占空比时，从开关周期的每个相脚中减去零向量的占空比，最大占空比表示失真区域。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述失真区域是基于电压源逆变器的最小脉宽和电压源逆变器的死区时间中的至少一个。
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