CN101420201A - 用于控制电驱动器中功率逆变器的脉宽调制的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制电驱动器中功率逆变器的脉宽调制的方法和系统。具体提供了用于控制汽车的电驱动系统中的功率逆变器的方法和系统。各种实施例通过以下方式来控制功率逆变器：响应电动机的命令扭矩超过第一扭矩水平或电动机的命令转速超过第一转速水平，采用不连续脉宽调制(DPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。另外，所述实施例通过以下方式来控制功率逆变器：响应电动机的命令扭矩低于第一扭矩水平以及电动机的命令转速低于第一转速水平，采用连续脉宽调制(CPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。

Description

用于控制电驱动器中功率逆变器的脉宽调制的方法和系统
技术领域
本发明总体涉及功率逆变器，尤其是涉及用于控制电驱动系统中的功率逆变器的方法和系统。
背景技术
近年来，工艺的进步以及样式品位的不断发展导致了汽车设计的巨大变化。其中的一个变化涉及汽车中的电气系统的复杂性，尤其是替代燃料汽车，如混合、电动以及燃料电池汽车。这样的替代燃料汽车通常采用电动机，也可能与另一个致动器组合，用以驱动车轮。
这些形式的车辆在效率上能提供很大的改进。但是仍然始终存在对于改进电动机驱动器的效率以减少功率损耗、提高电池寿命、增加行程以及行车里程的需求。另外，还仍然有对于维持具有低电流失真以及低扭矩脉动的有效电动机控制的需求。
另外，在汽车中，期望提供减少功率损耗并且增加电动机驱动器的效率的控制方法，同时提供具有低电流失真以及低扭矩脉动的有效电动机控制。此外，本发明其他期望的特征和特性将参考附图以及前述技术领域和背景技术在随后的详细描述和所附权利要求中变得显而易见。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于控制汽车中的电驱动系统的功率逆变器的方法。一般地，该方法通过以下方式来控制功率逆变器：响应电动机的命令扭矩超过第一扭矩水平或电动机的命令转速超过第一转速水平，采用不连续脉宽调制(DPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。另外，该方法通过以下方式来控制功率逆变器：响应电动机的命令扭矩低于第一扭矩水平以及电动机的命令转速低于第一转速水平，采用连续脉宽调制(CPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。该方法通过在高转速或高扭矩时采用DPWM从而减少逆变器损耗以及增加驱动系统的效率，并且在低转速以及低扭矩时采用CPWM从而提供低电流失真以及低扭矩脉动。因此，该方法不但减少了功率损耗，同时提供了优良的系统性能。
在另一个实施例中，提供了一种汽车电驱动系统。该汽车电驱动系统包括电动机、连接至电动机的功率逆变器以及连接至电动机和逆变器的至少一个处理器。该至少一个处理器被设置为响应电动机的命令扭矩超过第一扭矩水平或电动机的命令转速超过第一转速水平，采用不连续脉宽调制(DPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。另外，该处理器被设置为响应电动机的命令扭矩低于第一扭矩水平以及电动机的命令转速低于第一转速水平，采用连续脉宽调制(CPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。该系统通过在高转速或高扭矩时采用DPWM从而减少逆变器损耗以及增加驱动系统的效率，并且在低转速以及低扭矩时采用CPWM从而提供低电流失真以及低扭矩脉动。因此，该驱动系统不但减少了功率损耗，同时提供了优良的系统性能。
附图说明
本发明将在下文中参考下列附图进行描述，其中相同的附图标号表示相同的元件，以及
图1是根据本发明的一个实施例的示例性汽车的示意图；
图2是图1汽车中的电压源逆变器系统的方块图；
图3是图1汽车中的逆变器的示意图；
图4是在电动机的一个基本电气周期中标绘的代表性CPWM占空比命令的示例性波形的曲线图；
图5是在电动机的一个基本电气周期中标绘的代表性DPWM占空比命令的示例性波形的曲线图；
图6是一个示例性逆变器控制技术的图示；以及
图7是示出了一个示例性逆变器调制控制方法的流程图。
具体实施方式
以下的详细描述实质上仅为示例性的，而并非企图限制本发明或本申请以及本发明的应用或用途。此外，本发明并不企图被前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中的任何明示的或暗示的原理所限制。
以下描述涉及“连接”或“联接”在一起的元件或特征。这里所使用的，除非特别声明的，“连接”指一个元件/特征直接与另一个元件/特征连接(或直接通讯)，并且不必是机械地连接。同样，除非特别声明，“联接”指一个元件/特征与另一个元件/特征直接或间接连接(或直接或间接通讯)，并且不必是机械地连接。但是，应当理解两个元件虽然在下述的一个实施例中被描述为被“连接”，但在替代实施例中相似的元件也可被“联接”，反之亦然。因此，虽然这里所示的示意图描述了元件的示例性布置，但在实际实施例中可存在另外的插入元件、设备、特征或部件。也应当理解附图仅仅是示例性的并且可以不按比例绘制。
附图示出了用于控制汽车的电驱动系统中的功率逆变器的方法和系统。一般地，该系统和方法通过以下方式来控制功率逆变器：响应电动机的命令扭矩超过第一扭矩水平或电动机的命令转速超过第一转速水平，采用不连续脉宽调制(DPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。另外，该系统和方法通过以下方式来控制功率逆变器：响应电动机的命令扭矩低于第一扭矩水平以及电动机的命令转速低于第一转速水平，采用连续脉宽调制(CPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。
一般地，DPWM相比于CPWM提供了减少的逆变器损耗以及增加的效率。但是，在较低电流电平，DPWM能增大电流失真，从而导致扭矩脉动的增大。在较高转速下，其他的失真源掩盖了由DPWM引入的失真。另外，电动机电流由于磁场削弱而将会在给定扭矩下增加。因此，该系统和方法在高转速时采用DPWM而不考虑扭矩水平以得到由DPWM带来的损耗优势。另外，在一些实施例中，在零扭矩和零转速时采用DPWM以在电动机停止时停止逆变器开关。因此，该系统和方法不但减少了功率损耗，同时提供了优良的系统性能。
图1示出了根据本发明的一个实施例的车辆30，或“汽车”。汽车30包括底盘32、车身34、四个车轮36以及电子控制系统38。车身34布置在底盘32上并且基本上封装汽车30的其他部件。车身34和底盘32可共同形成车架。车轮36分别在邻近车身34的各角处可转动地联接至底盘32。
汽车30可为多种不同形式的汽车中的一种，如，轿车、货车、卡车或运动型多用途车(SUV)，并且汽车30也可为两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或全轮驱动(AWD)。汽车30还可包括多种不同形式的引擎(或致动器)中的任何一种或其组合，该引擎如汽油或柴油燃料内燃机、“弹性燃料车辆(flex fuel vehicle)”(FFV)引擎(即，采用汽油和酒精的混合物)、气体混合物(例如，氢气和/或天然气)燃料引擎或燃料电池能源、燃烧/电动机混合引擎以及电动机。
图1中所示的示例性实施例中，汽车30是混合动力车辆，并且进一步包括致动器组件40、电池(或其他电能存储器)42、功率逆变器(或逆变器)44以及散热器46。该致动器组件40包括内燃机48和电动机/发电动机(或马达)50。电动机50在一个实施例中是如通常在汽车车辆(例如，牵引驱动控制系统等)中采用的正弦绕线(sinusoidally-wound)交流(AC)电动机(例如，永磁或感应电动机)。本领域技术人员可理解，电动机50包括变速器，虽然没有示出，但还包括定子组件(包括传导线圈)、转子组件(包括铁磁芯)以及冷却流体(即，冷却剂)。众所周知，电动机50中的定子组件和/或转子组件可包括多个(例如，16)电磁极。
继续参考图1，在一个实施例中，内燃机48和电动机50构成为一体以使得它们都通过一个或多个驱动轴52被机械联接到至少一些车轮36。散热器46被连接到车架的外部，并且虽然没有详细示出，但该散热器46包括多个容纳如水和/或乙二醇(即，“防冻剂”)的冷却流体(即，冷却剂)的冷却通道，并且该散热器46被联接至引擎48和逆变器44。再次参考图1，在描述的实施例中，逆变器44接受并且与电动机50分享冷却剂。散热器46可类似地连接至逆变器44和/或电动机50。
电子控制系统38与致动器组件40、电池42以及逆变器44可操作的通讯。虽然没有详细示出，但电子控制系统38包括不同的传感器以及自动控制模块、或电子控制单元(ECU)，例如逆变器控制模块和车辆控制器，以及至少一个处理器和/或存储器，所述处理器和/或存储器包括存储在其上(或在另一个计算机可读介质中)的用于实施下述过程和方法的指令。
参考图2，示出了根据本发明的一个示例性实施例的电压源逆变器系统(或电驱动系统)54。电压源逆变器系统54包括控制器56、联接至控制器56的输出端的逆变器44、联接至逆变器44的第一输出端的电动机50。控制器56可与图1中所示的电子控制系统38一体形成。
图3详细地示出了图1和图2的逆变器44。逆变器44包括联接至电动机50的三相电路。尤其是，逆变器44包括具有联接至电压源Vdc(例如，电池42)的第一输入端以及联接至电动机50的输出端的开关网络。虽然示出了单独的电压源，但也可采用具有两个串联源的分布式直流(DC)链路。
开关网络包括相应于每相的三对具有反并联二极管(即，与每个开关反并联)的串联开关。每对串联开关包括第一开关(或晶体管)60、62和64以及第二开关66、68和70，第一开关60、62和64具有联接至电压源42的正电极的第一端，第二开关66、68和70具有联接至电压源42的负电极的第二端以及联接至各个第一开关60、62和64的第二端的第一端。
集中参考图1、2和3，在运行中，车辆30通过内燃机48和电动机50按照交替方式以及/或者内燃机48和电动机50同时地提供动力给车轮36来运作。为了给电动机50供电，由电池42提供DC电力给逆变器44，在该电力被传送至电动机50之前，该逆变器44将DC电力转换为AC电力。本领域技术人员可以理解，DC电力至AC电力的转换实质上是通过操作(即，重复地开关)逆变器44的晶体管来实现的。
一般地，控制器56产生用于控制逆变器44的开关动作的脉宽调制(PWM)信号。然后逆变器44将PWM信号转换成用于运行电动机50的调制电压波形。在三相AC电流电动机中的代表性应用中，产生三个单独的PWM信号，每个用于逆变器44的相应开关对。
在一个优选实施例中，当电动机的命令扭矩超过第一扭矩水平时或者当电动机的命令转速超过第一转速水平时，控制器56采用不连续脉宽调制(DPWM)信号控制逆变器44。而且，当电动机的命令扭矩小于第一扭矩水平时以及当电动机的命令转速小于第一转速水平时，控制器56采用连续脉宽调制(CPWM)信号控制逆变器44。
驱动系统的构造保证了对电动机驱动系统中的功率的良好控制和有效利用。尤其是，在高转速和扭矩下采用DPWM减少了在这些转速和扭矩下所产生的功率损耗。相反，在低转速和低电流下采用CPWM提供了低电流失真和低扭矩脉动。控制器56因此能够提供高效率，同时也能提供优良的系统性能。
在不同的实施例中可以采用不同形式的DPWM和CPWM技术。一般地，CPWM被定义为在调制电压波形的全360度周期中连续开关逆变器的每个支路的这些形式的脉宽调制技术。合适的CPWM技术的示例包括正弦PWM、三次谐波注入PWM以及传统空间矢量PWM。同样，这些仅为示例，也可采用其他形式的CPWM技术。
此外，DPWM被定义为不在调制电压波形的全360度周期中开关逆变器的每相支路的这些形式的脉宽调制技术。例如，逆变器的每相支路在调制电压波形的360度周期中不能开关四个30度、两个60度或者一个120度区域。合适的DPWM技术的示例包括广义DPWM(GDPWM)、DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMMIN以及DPWMMAX。同样，这些仅为可采用的DPWM技术的示例。
现在转至图4，图4示出了在电动机的一个基本电气周期中标绘的代表性CPWM占空比命令的示例性波形。在这个示例中，应用了传统的空间矢量PWM技术。在这个图示的示例中，命令的占空比在电动机的整个基本电气周期中大于零并且小于一。由于占空比总是大于零并且小于一，相应的逆变器开关在电动机的运行过程中被持续切换。
现在转至图5，图5示出了在电动机的一个基本电气周期中标绘的代表性DPWM占空比命令的示例性波形。在该示例中，采用了DPWM2技术。在所示的DPWM占空比命令技术中，占空比在基本电气周期的两个60度(约为1弧度)区域中被箝位至零或一。在这些箝位时段期间，相应的逆变器开关将不会被切换。因此，在这些箝位时段在相应的相支路中不会产生开关损耗。因此，DPWM技术的应用能够使开关损耗减少至采用CPWM所产生的开关损耗的一半。
虽然DPWM提供提高的开关损耗特性，但确实具有一些性能上的不足。通常，在低调制指数(例如，小于6)，相比于CPWM方法，DPWM方法可导致较大电压失真，并且因此导致较大电流失真。这也是在低电流电平时的情况。增加的电流失真能够导致不期望的来自驱动器的扭矩脉动。
因此，相对于逆变器开关损耗在低调制指数和低电流时的失真之间存在平衡。所述实施例提供了根据驱动器的运行情况选择CPWM还是DPWM的系统和方法。尤其是，所述实施例在可能会产生较大电流失真的低调制指数或低电流电平时采用CPWM方法。
现在参考图6，示出了调制控制技术的图示。在所示技术中，在小于T1的低扭矩时，选择CPWM以减小失真。在扭矩超过T1时，选择DPWM以提升效率。可以基于应用需求选择T1的值，但是T1的值可在最大电动机扭矩的10-15％的范围内。在扭矩命令相对低时这将会提供更好的电流保真，并且开关损耗很小，在扭矩命令高时由于开关损耗的减少而仍然提供最大效率。
另外，当电动机转速增加至超过阈值n1时不考虑扭矩水平来选择DPWM。调制指数通常随着转速而增加(例如，在恒定磁通量的情况下)，在高调制指数时DPWM比CPWM具有更低的失真。而且，超过基本转速时，电动机驱动器通常采用磁场削弱。对于某种形式的电动机(例如，永磁电动机)，需要附加定子电流以抵消由于永磁体而产生的磁通量。即使为零扭矩命令，也需要该电流。为了上述这些原因，在转速超过n1时，不考虑扭矩而选择DPWM。
而且，在一些实施例中，在零转速零扭矩条件下也采用DPWM。在图6中，区域602示出了可采用DPWM的邻近零电动机转速以及邻近零扭矩的示例性条件。在该区域采用DPWM可以允许逆变器在某些相停止开关。这是由于逆变器的最小脉宽性能所导致的。在低调制指数时，DPWM占空比波形被压缩至0或1。如果逆变器不能再生这些小(或大)占空比，所述占空比将有效地降低，因此更进一步减少开关损耗。通常，邻近零转速零扭矩的区域将延伸至大约为额定扭矩和转速的1％。
现在转至图7，示出了表现示例性逆变器调制控制方法的流程图。在该方法中，检验扭矩和转速以用于确定应用CPWM还是DPWM。在步骤702，启用逆变器的切换。在步骤704，将命令扭矩与第一扭矩水平T1相比较。如果扭矩大于T1，方法转至步骤712，并且采用DPWM。如果扭矩小于T1，方法转至步骤706。
在步骤706，将命令转速与第一速度水平n1相比较。如果转速比n1大，该方法再次转至步骤712并且采用DPWM。如果转速比n1小，该方法转至步骤708。在步骤708，将转速和扭矩与0相比较。如果转速和扭矩都邻近0，该方法再次转至步骤712并且采用DPWM。如果转速或者扭矩不邻近0，该方法转至步骤710并且采用CPWM。该方法接着返回步骤704。只要逆变器开始切换就重复该过程，并且随着扭矩和转速条件变化，该方法使得调制在CPWM和DPWM技术之间变化。
因此，对PWM策略的选择依赖于电动机驱动器的运行条件(即，扭矩和转速)。这提供了在低失真和低扭矩脉动之间的平衡，而且也提供了高效率。
除了转速和扭矩，应当理解附加参数也可被用于确定采用CPWM还是DPWM技术。可采用的参数示例包括逆变器的冷却剂温度、电压、调制指数以及电流电平。这将为优化驱动系统的性能和效率提供附加的性能。
因此，本发明的实施例提供了一种系统和方法，该系统和方法通过以下方式来控制功率逆变器：响应电动机的命令扭矩超过第一扭矩水平或电动机的命令转速超过第一转速水平，采用不连续脉宽调制(DPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。另外，该系统和方法通过以下方式来控制功率逆变器：响应电动机的命令扭矩低于第一扭矩水平以及电动机的命令转速低于第一转速水平，采用连续脉宽调制(CPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。因此，该系统和方法不但减少了功率损耗，同时提供了优良的系统性能。
虽然在前述详细描述中提供了至少一种示例性实施例，应当理解还存在大量的变形。还应当理解示例性实施例仅为示例，并不意图在各方面限制本发明的范围、应用或构造。相反，前述详细描述将提供给本领域技术人员用于实现示例性实施例的便利途径。应当理解在不偏离由所附权利要求和合理的等价权利要求所限定的本发明的范围的条件下，在元件的功能和布置方面可采用各种的改变。

Claims (19)

1、一种用于控制联接至汽车电驱动系统中的电动机的功率逆变器的方法，该方法包括：
响应于电动机的命令扭矩超过第一扭矩水平或者电动机的命令转速超过第一转速水平，采用不连续脉宽调制(DPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形；以及
响应于电动机的命令扭矩低于所述第一扭矩水平以及电动机的命令转速低于所述第一转速水平，采用连续脉宽调制(CPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。
2、根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
响应于电动机的命令扭矩基本为0以及电动机的命令转速基本为0，采用DPWM信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。
3、根据权利要求2所述的方法，其中电动机的命令扭矩基本为0包括小于电动机的额定扭矩的1％的命令扭矩。
4、根据权利要求2所述的方法，其中电动机的命令转速基本为0包括小于电动机的额定转速的1％的命令转速。
5、根据权利要求1所述的方法，其中DPWM信号包括采用从包括GDPWM、DPWMMIN、DPWMMAX、DPWM0、DPWM1、DPWM2以及DPWM3的组中选择的技术所调制的信号。
6、根据权利要求1所述的方法，其中DPWM信号包括采用DPWM2技术调制的信号。
7、根据权利要求1所述的方法，其中CPWM信号包括采用从包括第三谐波注入PWM、传统空间矢量PWM和正弦PWM的组中选择的技术所调制的信号。
8、根据权利要求1所述的方法，其中CPWM信号包括采用传统空间矢量PWM技术调制的信号。
9、根据权利要求1所述的方法，其中电动机包括正弦绕线交流(AC)电动机。
10、一种用于控制联接至汽车电驱动系统中的电动机的功率逆变器的方法，其中该电动机包括正弦绕线交流(AC)电动机，该方法包括：
响应于电动机的命令扭矩超过第一扭矩水平或者电动机的命令转速超过第一转速水平，采用不连续脉宽调制(DPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形；
响应于电动机的命令扭矩低于所述第一扭矩水平但基本不为0以及电动机的命令转速低于所述第一转速水平但基本不为0，采用连续脉宽调制(CPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形，以及
响应于小于电动机的额定扭矩的1％的电动机的命令扭矩以及小于电动机的额定转速的1％的电动机的命令转速，采用DPWM信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。
11、一种汽车电驱动系统，包括：
电动机；
联接至电动机的功率逆变器；以及
联接至电动机和逆变器的至少一个处理器，该至少一个处理器被设置为：
响应于电动机的命令扭矩超过第一扭矩水平或者电动机的命令转速超过第一转速水平，采用不连续脉宽调制(DPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形；以及
响应于电动机的命令扭矩低于所述第一扭矩水平以及电动机的命令转速低于所述第一转速水平，采用连续脉宽调制(CPWM)信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。
12、根据权利要求11所述的汽车电驱动系统，其中所述至少一个处理器进一步被设置为：
响应于电动机的命令扭矩基本为0以及电动机的命令转速基本为0，采用DPWM信号控制功率逆变器用以产生用于驱动电动机的调制电压波形。
13、根据权利要求12所述的汽车电驱动系统，其中电动机的命令扭矩基本为0包括小于电动机的额定扭矩的1％的命令扭矩。
14、根据权利要求1所述的汽车电驱动系统，其中电动机的命令转速基本为0包括小于电动机的额定转速的1％的命令转速。
15、根据权利要求11所述的汽车电驱动系统，其中DPWM信号包括采用从包括GDPWM、DPWMMIN、DPWMMAX、DPWM0、DPWM1、DPWM2以及DPWM3的组中选择的技术所调制的信号。
16、根据权利要求11所述的汽车电驱动系统，其中DPWM信号包括采用DPWM1技术调制的信号。
17、根据权利要求11所述的汽车电驱动系统，其中CPWM信号包括采用从包括第三谐波注入PWM、传统空间矢量PWM和正弦PWM的组中选择的技术所调制的信号。
18、根据权利要求11所述的汽车电驱动系统，其中CPWM信号包括采用传统空间矢量PWM技术调制的信号。
19、根据权利要求11所述的汽车电驱动系统，其中电动机包括正弦绕线交流(AC)电动机。
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