CN101447762A - 相电流采样和调节装置和方法以及电动机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及相电流采样和调节装置和方法以及电动机驱动系统。在各种实施例中，相电流采样装置(图3和6的300、600)、电动机驱动系统(图1的100)、和机动车辆(图12的1200)包括适于接收第一和第二相电流波形的切换电路。切换电路提供在至少两个偏移采样时刻期间的第一相电流波形，且提供在参考采样时刻期间的第二相电流波形。模数转换器适于在偏移采样时刻采样第一相电流波形，且在参考采样时刻采样第二相电流波形。用于调节相电流波形的方法的实施例包括模数转换器，该模数转换器在参考采样时刻之前及之后发生的采样时刻处生成第一相电流波形的样本，并在参考采样时刻生成第二相电流波形的样本。

Description

相电流采样和调节装置和方法以及电动机驱动系统
技术领域
本发明的主题一般涉及用于对相电流采样的装置和方法，且更具体地涉及合并到电动机驱动系统中的这种装置和方法。
背景技术
电力驱动用来控制电动机的相电流。在数控系统中，多相电流通常被同时采样并使用模数(A-D)转换器将其转换为数字值。将这些数字值提供给系统控制器，系统控制器可以根据这些数字值调节相电流。
在某些系统中，可以同时使用多个模数(A-D)转换器来采样多相电流。例如，在提供三相电流的系统中，可以在并行采样通道中实施三个A-D转换器。通常精确控制对于每个相电流的采样时刻，这可以实现对可能由相波纹电流引入的混叠(aliasing)的检测及减少。
在某些情况下，可用的A-D转换器可能比相电流数少。例如，系统可能包括比相电流数少的A-D转换器，或系统可能在不同时间为其它目的使用一个或多个通常用于采样相电流的A-D转换器。在这些时间，系统控制器可能不能接收每个相电流的采样电流值，且可能会损害对相电流的精确控制。所引入的采样误差可能会反映到相电流中，导致明显的转矩脉动，谐波电流，和/或其它可能不利地影响电动机性能的不希望的人为噪声(artifact)。
因此，希望提供用于采样电动机相电流的可以使用比相电流数更少的A-D转换器的装置和方法，其中该装置和方法引入较少的转矩脉动、谐波电流、和/或使用常规装置和方法可能引入的其它不希望的人为噪声。此外，根据后续的详细描述及随附的权利要求书，结合附图和前述技术领域及背景技术，本创造性主题的其它期望特征和特性将变得显而易见。
发明内容
在实施例中，提供了一种相电流采样装置，其包括切换电路和第一模数转换器。该切换电路具有多个输入端子和一输出端子，且适于接收至少包括第一相电流波形和第二相电流波形的多个相电流波形(multiple phase current waveforms)。该切换电路还适于在至少两个偏移采样(offset sampling)时刻期间在输出端子处提供第一相电流波形，且适于在参考采样(reference sampling)时刻期间在输出端子处提供第二相电流波形。第一模数转换器适于接收第一相电流波形和第二相电流波形，且适于在偏移采样时刻生成代表第一相电流波形的振幅的数字值，及在参考采样时刻生成代表第二相电流波形的振幅的数字值。
在另一实施例中，提供了一种电动机驱动系统，其包括逆变器(inverter)，和如在前面段落内的实施例中所描述的相电流采样装置，以及控制器。该逆变器适于基于逆变器控制输入生成多个相电流波形，所述多个相电流波形至少包括第一相电流波形和第二相电流波形。所述控制器适于接收代表第一相电流波形的振幅的数字值，且适于根据代表第一相电流波形的振幅的数字值计算第一相电流波形的近似值。
在另一实施例中，提供了一种机动车辆，其包括电动机、和如在前面段落内的实施例中所描述的电动机驱动系统。该电动机适于接收多个相电流波形并响应于所述多个相电流波形提供转矩，所述多个相电流波形至少包括第一相电流波形和第二相电流波形。
在另一实施例中，提供了一种用于调节相电流波形的方法。该方法包括以下步骤：通过第一模数转换器在第一偏移采样时刻生成第一相电流波形的第一样本，所述第一偏移采样时刻在参考采样时刻t0之前第一定时偏移(timing offset)tx1发生。该方法也包括以下步骤：通过第一模数转换器在参考采样时刻生成第二相电流波形的第二样本，以及通过第一模数转换器在第二偏移采样时刻生成第一相电流波形的第三样本，其中所述第二偏移采样时刻在所述参考采样时刻之后第二定时偏移tx2发生。
附图说明
将在下文中结合下列附图描述本创造性主题的实施例，在附图中相同的数字标示相同的元件，且
图1示出了根据本创造性主题的示范实施例的电动机驱动系统的简化示意图；
图2示出了三个正弦相电流波形的曲线图；
图3示出了根据示范实施例的相电流采样装置的简化示意图；
图4示出了根据示范实施例的沿三个相电流波形的样本点的曲线图；
图5示出了根据示范实施例的用于采样相电流波形的方法的流程图；
图6示出了根据另一示范实施例的相电流采样装置的简化示意图；
图7示出了根据另一示范实施例的沿三个相电流波形的样本点的曲线图；
图8示出了根据另一示范实施例的用于采样相电流的方法的流程图；
图9示出了根据示范实施例的用于调节相电流的方法的流程图；
图10示出了根据示范实施例的采样的同步坐标系电流(synchronousframe current)的示例的曲线图；
图11示出了根据示范实施例的d和q电流的误差曲线图示例；和
图12示出了根据示范实施例的安装在混合动力电动车辆中的电动机驱动系统的简化图。
具体实施方式
下列详细描述本质上仅是示例性的，且并不打算限制本创造性主题或本创造性主题的应用以及用途。此外，不打算被前述技术领域、背景技术、发明内容或下列具体实施方式中陈述的明示或暗示的理论所约束。
图1示出了根据本创造性主题的示范实施例的电动机驱动系统100的简化示意图。在实施例中，系统100包括电源102、逆变器104、相电流采样装置108和控制器110，它们适于驱动电动机112。如将在下面更详细说明的，电动机驱动系统100适于感生多个相电流波形118，采样和分析所述多个相电流波形118、并基于该采样和分析控制相电流波形118的产生。
在实施例中，系统100是三相系统，其中逆变器104生成三个相电流波形118，且电机112为三相电动机。在其他实施例中，系统100可以是两相系统或多相(例如，大于三相)系统，且电机112可能被适当地加以调整。尽管本文中的描述讨论适于三相系统的装置和方法，将理解，本创造性主题不打算受限于专用于三相系统的方法和装置。
在实施例中，电源102包括一个或多个可再充电的电源(例如，电池或电容器)。在替代实施例中，电源102可以包括一个或多个可选电源，诸如工频电源(line power source)。电源102在逆变器输入端子120两端生成直流(DC)电压。在实施例中，该电压的幅度可能在100-400V的范围内，不过在其它实施例中该电压可能更高或更低。
电源102可操作地经由逆变器输入端子120耦合到逆变器104。在实施例中，逆变器104包括一电路，该电路适于从电源102接收电压并将该电压转换为N个基本上正弦的基本相电压波形，所述相电压波形感生相电流波形118，其中N＝3。在实施例中，相电流波形118相对于彼此具有基本相等的相分离(phase separation)(例如，大约120°的相分离)。
在实施例中，逆变器104包括N个相脚，每个相脚产生相电压且包括一对切换元件，该对切换元件包括上部切换元件140和下部切换元件142。每对切换元件140、142以互补方式在断开开关状态和闭合开关状态之间切换，且通过控制器110生成的逆变器控制输入162来控制断开和闭合开关状态的占空比。因此，控制器110适于使得逆变器104的每个相脚对输入电压进行脉宽调制以生成正弦的脉宽调制(PWM)相电压波形118。通过控制切换元件140、142，每个相电流波形118的振幅、频率、和相对相位是可控的，如稍后将详细说明的。在实施例中，切换元件140、142的切换频率是在大约2千赫兹(kHz)到大约20kHz的范围内的频率，不过在其它实施例中可以使用更低或更高的切换频率。在实施例中，通过控制每个切换元件140、142的切换频率以及每个相脚内的占空比，相电流波形118的基本频率在0Hz到2kHz的范围内是可控的，不过在其它实施例中可以产生更低或更高的基本相电流波形频率。
图2示出了三个正弦相电流波形202、203、204的曲线图200。曲线图200的轴包括电位置轴220和振幅轴221。在实施例中，相邻相电流波形202-204之间的相分离210、211、212基本相等，或大约120°。每个相电流波形202-204的基本频率也是基本相等的，不过基本频率可以随时间改变。尽管在图2中未反映出，每个相电流波形202-204可以包括具有与切换元件(例如，切换元件140、142)的切换频率相关的频率的相波纹电流分量。
再次参考图1，在电机输入端子130处给电机112提供N个相电流波形118。在实施例中，电机102是适于接收N个相电流波形、且适于响应于所接收的相电流波形生成转矩的N相电动机。例如，电机112可以是包含在电动车辆或混合动力电动车辆(HEV)中的电动机。在其它实施例中，电机112可以包含在另一类型的系统中，诸如工业系统或另一类型的运动控制系统。
相电流采样装置108和控制器110一起形成了反馈和控制子系统。在实施例中，该反馈和控制子系统适于控制由逆变器104生成的相电流波形118，以便控制电机112的转矩产生。特别地，该反馈和控制子系统适于采样相电流波形118，将采样的相电流波形的特性与期望的相电流波形参数相比较，以及响应于该比较控制切换元件140、142的切换状态。如本文中所使用的，术语“采样”在其动词时态中意思是将离散时间处的模拟波形振幅转换为数字值。在其名词时态中的术语“样本”意思是反映离散时间处的模拟波形的振幅的数字值。
在实施例中，相电流采样装置108包括M个“采样通道”，且适于接收和采样每个相电流波形118并生成M个相电流波形样本的流140，其中在实施例中M<N。换句话说，相电流采样装置108包括少于N个相电流波形118的M个采样通道。在特定实施例中，M＝N-1，N＝3，且M＝2。在另一实施例中，M＝N-2，N＝3，且M＝1。在又一实施例中，N和M可能具有其它值和数学关系，只要满足M<N的条件。
如在本文中使用的，“采样通道”包括适于在多个采样时刻采样模拟相电流波形的振幅且生成相电流波形样本流140的电路(例如，包括模数转换器)。每个流140包括反映一个或多个相电流波形的采样振幅的多个数字值。稍后将结合图3更详细地说明相电流采样装置的简化框图的实施例。
在实施例中，控制器110包括至少一个处理器150和调节器152。处理器150适于接收和分析相电流波形样本140(本文中称为“测量的相电流波形”)的M个流140，并且将该测量的相电流波形的特性与期望的相电流波形参数相比较。在实施例中，可以从其它系统元件(未示出)经由输入命令142而接收期望的相电流波形参数，且这些参数可以存储在本地存储器或其它可以由控制器110访问的存储器中。期望的相电流波形参数可以包括例如关于相电流波形振幅、频率和相对相位的参数。基于在测量的相电流波形参数与期望的相电流波形参数之间计算的误差，处理器150生成适于减少误差的调节器控制输入160。
相应地，调节器152适于接收调节器控制输入160并生成逆变器控制输入162。逆变器控制输入162为每个相脚确定切换元件140、142的占空比，从而控制每个相电流波形118的基本正弦分量和相电流波形118之间的相对相位。
图3示出了根据示范实施例的相电流采样装置300(例如图1的相电流采样装置108)的简化示意图。在实施例中，相电流采样装置300包括至少一个模数(A-D)转换器302、304，切换电路306，和至少一个切换及定时信号发生器308。
相电流采样装置300接收N个相电流波形310、311、312(例如图1的相电流波形118)，并为N个相电流波形310-312中的每一个生成多组“对应样本”。一组“对应样本”包括在采样时刻生成的该N个相电流波形310-312的每一个的样本，所述采样时刻与给定参考采样时刻(在本文中称为“t0”)有关。对于给定的一组对应样本，基本上同时地在参考采样时刻t0采样一个或多个相电流波形310-312，并且在两个“偏移”采样时刻处采样一个或多个其它的相电流波形310-312，该两个“偏移”采样时刻之一发生在参考采样时刻之前，且另外一个“偏移”采样时刻则发生在参考采样时刻之后。在实施例中，这两个偏移采样时刻发生在参考采样时刻之前及之后的基本上对称的定时偏移处。在另一实施例中，这两个偏移采样时刻发生在参考采样时刻之前及之后不对称的定时偏移处。
在对应于特定实施例的图3中示出了两个A-D转换器302、304。在其它实施例中，相电流采样装置可以包括更多或更少的A-D转换器。另外，所示出的两个A-D转换器302、304表示根据各种实施例在特定时间期间可操作的A-D转换器。根据各种实施例，在其它时间期间，存在于该系统内的替代A-D转换器(未示出)可以是可操作的。
每个A-D转换器302、304形成采样通道的一部分，且适于对存在于其输入端子313、314处的相电流波形310-312进行采样，并生成数字波形样本的流316、318，所述流包括若干组对应样本。在实施例中，至少一个A-D转换器(例如，A-D转换器302)电耦合到切换电路306。
切换电路306可以包括例如适于在其输入端子处接收多个相电流波形并且在其输出端子处产生所接收的相电流波形之一的电路。尽管切换电路306以可能暗示其包括物理开关的方式示出，切换电路306可以包括电气开关(例如，基于半导体的开关)和/或可以通过与软件或固件结合的处理元件实施。
在实施例中，切换电路306适于接收至少其中两个相电流波形(例如，相电流波形310和311)，并且根据切换电路306的位置来将接收的相电流波形之一(例如，相电流波形310或311)提供给其中一个A-D转换器(例如，A-D转换器302)。因此，与切换电路306相连的第一A-D转换器(例如，A-D转换器302)适于采样所述相电流波形中的多个相电流波形(例如，相电流波形310、311)。第二A-D转换器(例如A-D转换器304)可以直接接收相电流波形(例如，相电流波形312)。
切换及定时信号发生器308适于提供切换输入330给切换电路306，所述切换输入使得切换电路306在其输出端子处产生所接收的相电流波形的其中之一。另外，切换及定时信号发生器308适于提供样本定时信号(sample timing signal)332、334到每个A-D转换器302、304，样本定时信号控制每个A-D转换器302、304对存在于其输入端子313、314处的相电流波形进行采样的采样时刻。
图4是示出根据示范实施例的沿三个相电流波形410、411、412的样本点401、402、403、404的曲线图400，其中样本点401-404对应于各采样时刻420、421、422。曲线图400的轴包括时间轴430和振幅轴431。曲线图400示出了部分相电流波形410-412，其比每个相电流波形410-412的周期短得多。
采样时刻421代表参考采样时刻t0。基本上与参考采样时刻421同时地产生两个相电流波形410、411的样本，如样本点402、403所示。在实施例中，这些样本基本上彼此同时产生且与参考采样时刻t0同时产生，且因此在本文中被称为“基本上同时的样本”或“参考样本”。同步采样的相电流波形410、411在本文中被称为“同步采样相电流波形”或“SS相电流波形”。在实施例中，使用不同的采样通道产生每个基本上同时的样本。例如，也参考图3，切换及定时信号发生器308可以提供同时样本定时信号332、334，所述同时样本定时信号使得每个A-D转换器302、304生成存在于其输入端子313、314处的相电流波形的样本。存在于A-D转换器302的输入端子313处的相电流波形取决于切换电路306的状态。在图3示出的状态中，相电流波形311将存在于A-D转换器302的输入端子313处。
样本点401、404对应于第三相电流波形412的样本。采样时刻420代表发生在参考采样时刻t0之前的采样时刻t0-tx1，且采样时刻422代表发生在参考采样时刻t0之后的采样时刻t0+tx2。因此，采样时刻420、422在本文中被称为“偏移”采样时刻，且对应于偏移采样时刻的样本被称为“偏移样本”。与其它相电流波形不是同步采样的相电流波形412在本文中被称为“非同步采样相电流波形”或“NSS相电流波形”。
值tx1和tx2在本文中被称为“样本定时偏移”。在实施例中，样本定时偏移tx1和tx2是在相电流波形410-412的周期的大约5％到大约10％范围内的值，不过在其它实施例中样本定时偏移可以更长或更短。在实施例中tx1＝tx2，且因此在时间上，采样时刻420和422在参考定时时刻t0之前及之后对称地发生。在其它实施例中，样本定时偏移tx1和tx2可能不相等，且因此在时间上，采样时刻420和422可能在参考定时时刻t0之前及之后不对称地发生。
在实施例中，使用适于接收第三相电流波形412的采样通道生成对应于样本点401和404的偏移样本。例如，再次参考图3，切换及定时信号发生器308可以提供切换输入330给切换电路306，该切换输入使得切换电路306产生第三相电流波形。例如，可以如下所述顺序地控制切换电路306：
1)在偏移采样时刻420之前，可以切换切换电路306的状态，从而使得当偏移采样时刻420发生时相电流波形310将存在于A-D转换器302的输入端子313处；
2)在偏移采样时刻420之后且在参考采样时刻421之前，可以切换切换电路306的状态，从而使得当参考采样时刻421发生时相电流波形311将存在于A-D转换器302的输入端子313处；
3)在参考采样时刻421之后且在偏移采样时刻422之前，可以再次切换切换电路306的状态，从而使得当偏移采样时刻422发生时相电流波形310将存在于A-D转换器302的输入端子313处；和
4)然后可以对下一组对应样本重复该过程。
对于一组对应的样本，下面的表1表明了包括在由A-D转换器302、304生成的样本流(例如，图3的流316、318)内的样本的相对时序和序列。为方便起见，用对应于样本点401-404的参考数字表示样本。符号“ix_sample_40y”表示对应于在特定采样时刻40y处的“第x个”相电流波形(即，x＝1，2或3)的样本值。
 
流\时刻 t0-tx1 t0 t0+tx2
流316 i3-sample-401 i1-sample-402 i3-sample-404
流318 i2-sample-403
表1
在上述实施例中，切换电路306适于将多个输入相电流的其中之一提供给A-D转换器302。在替代实施例中，额外的切换电路(未图解)可以耦合到另一个A-D转换器(例如，A-D转换器304)，且该额外的切换电路也可以适于将多个输入相电流的其中之一提供到另一个A-D转换器。可以提供某些或所有的输入相电流作为到用于这两个A-D转换器的切换电路的输入。例如，用于这两个A-D转换器的切换电路可以接收某些或所有的NSS相电流波形和/或SS相电流波形(例如，i1、i2和i3中的某些或全部)。在这种实施例中，可以使用第一A-D转换器(例如A-D转换器302)来采样其中一个偏移样本，且可以使用第二A-D转换器(例如A-D转换器304)来采样另一个偏移样本。对于一组对应样本，下面的表2表明了可能包括在由A-D转换器302、304生成的样本流(例如，图3的流316、318)内的样本的相对时序和序列。
 
流\时刻 t0-tx1 t0 t0+tx2
流316 i3-sample-401 i1-sample-402
流318 i2-sample-403 i3-sample-404
表2
也参看图1，由控制器110接收相电流波形样本的流140(例如，图3中的流316、318)。对应于参考采样时刻t0(例如，图4的参考采样时刻421)的相电流波形样本表示基本上被同时采样的这两个相电流波形(例如，图4的相电流波形410、411)的振幅。对应于偏移采样时刻t0-tx1和t0+tx2(例如，图4的偏移采样时刻420、422)的相电流波形样本(例如，偏移样本)表明在偏移采样时刻采样的第三相电流波形的两个振幅。
在实施例中，处理器150基于这些偏移样本的值在数学上计算在参考采样时刻t0的第三相电流波形(例如，图3的相电流波形310)的近似振幅值。在特定实施例中，处理器150将第三相电流波形的近似振幅值计算为第三相电流波形的两个偏移样本的均值。使用上面指定的符号，可以如下计算第三相电流波形的近似振幅值i3approx：
i3approx＝1/2(i3_sample_401+i3_sample_404)
在其它实施例中，可以使用其它线性或非线性的数学公式来计算第三相电流波形的近似振幅值。
因此，对于给定的一组对应样本，处理器150产生包括每个相电流波形的单个值的经修改的样本组。在修改的组中的两个样本包括所接收到的其中两个相电流波形(例如，i1_sample_402和i2_sample_403)的振幅值，且在该组中的第三样本包括计算出的第三相电流波形的振幅值(例如，i3approx)。处理器150(或控制器110)可以存储对于多个参考采样时刻的经修改的样本组，且因此可以随时间累积多个经修改的样本组，并且该多个经修改的样本组代表随时间的三个相电流波形的测量、或测量的相电流波形。如先前所讨论的，基于在测量的相电流波形参数与期望的相电流波形参数之间计算出的误差，处理器150生成适于减小误差的调节器控制输入160。
图5示出了根据示范实施例的用于采样相电流波形的方法的流程图。例如，该方法可以由部分电动机驱动系统来执行，诸如先前结合图1、3和4讨论的电动机驱动系统及其部分的各种实施例。在各种实施例中，该方法可以通过硬件、软件、固件和/或它们的各种组合来执行。
该方法开始于在块502中配置相电流采样装置以提供非同步采样的(NSS)相电流波形给相电流采样装置(例如，图1的相电流采样装置108)的第一采样通道。例如，还参看图1、3和4，可以控制与相电流采样装置相关联的切换电路(例如，图3的切换电路)来在与第一采样通道相关联的A-D转换器(例如，图3的A-D转换器)的输入端子处提供NSS相电流波形。
在块504中，第一采样通道在第一偏移采样时刻(例如，t0-tx1)处生成NSS相电流波形的第一偏移样本。例如，第一A-D转换器可以接收样本定时信号(例如，图3的样本定时信号332)，且响应于该样本定时信号，A-D转换器可以生成NSS相电流波形的样本。
在块506中，相电流采样装置可以被配置为提供第一同步采样(SS)相电流波形给第一采样通道，其中第一SS相电流波形是不同于NSS相电流波形的波形。例如，可以控制切换电路以在块504中用来采样NSS相电流波形的A-D转换器的输入端子处提供第一SS相电流波形。
在块508中，第一采样通道和第二采样通道在第一偏移采样时刻之后发生的参考采样时刻(例如，t0)处分别生成第一SS相电流波形和第二SS相电流波形的样本。例如，两个A-D转换器(例如，图3的A-D转换器302、304)的每一个可以同时接收样本定时信号(例如，图3的样本定时信号332、334)，且作为响应每个A-D转换器可以生成存在于其输入端子处的SS相电流波形的样本。
在块510中，相电流采样装置可以再被配置成提供NSS相电流波形给第一采样通道。例如，可以控制切换电路以在块504和508中分别用来采样NSS相电流波形和SS相电流波形的A-D转换器的输入端子处提供NSS相电流波形。
在块512中，第一采样通道在第二偏移采样时刻(例如，t0+tx2)处生成NSS相电流波形的第二偏移样本。例如，第一A-D转换器可以接收样本定时信号(例如，图3的样本定时信号332)，且响应于该样本定时信号，该A-D转换器可以生成NSS相电流波形的第二样本。
在块514中，基于NSS相电流波形的第一偏移样本和第二偏移样本可以计算出在参考采样时刻t0处的NSS相电流波形的近似值。如先前所讨论的，例如，处理器(例如，图1的处理器150)可以基于第一和第二偏移样本的值，在数学上计算在参考采样时刻t0处的NSS相电流波形的近似振幅值。在特定实施例中，该处理器可以将NSS相电流波形的近似振幅值计算为第一和第二偏移样本的均值。
NSS相电流波形的近似值与第一SS相电流波形和第二SS相电流波形的样本一起形成了包括每个相电流波形的单个值的样本组。在经修改的组中的其中两个样本包括所接收的SS相电流波形的振幅值，且在该组中的第三样本包括计算出的NSS相电流波形的振幅值。在实施例中，生成并分析多个样本组，且根据该分析控制电动机驱动系统。因此，如图5中示出的，可以重复该方法以便生成该多个样本组。将结合图9更详细地讨论对样本的分析。
在上面详细讨论的实施例中，相电流采样装置(例如，图1的相电流采样装置108)包括M个采样通道。相电流采样装置的实施例适于接收N个相电流波形并生成M个相电流波形样本的流(例如，图1的流140)，其中采样通道数目M少于相电流波形的数目N，且在特定实施例中，M＝N-1，N＝3，且M＝2。在另一实施例中，如前面所提及的，M＝N-2，N＝3，且M＝1。因此，相电流采样装置可以适于使用单个采样通道采样三个相电流波形。
图6示出了根据另一示范实施例的相电流采样装置600(例如图1的相电流采样装置108)的简化示意图。在实施例中，相电流采样装置600包括A-D转换器602，切换电路606，和至少一个切换及定时信号发生器608。
相电流采样装置600接收N个相电流波形610、611、612(例如图1的相电流波形118)，并为这N个相电流波形610-612生成多组对应样本。对于给定的一组对应样本，在参考采样时刻t0处采样其中一个相电流波形(例如，相电流波形610)，且在两个“偏移”采样时刻采样其它相电流波形(例如，相电流波形611、612)的每一个，这两个“偏移”采样时刻之一在参考采样时刻之前发生，且另一个在参考采样时刻之后发生。在实施例中，对于特定的相电流波形611、612，这两个偏移采样时刻发生在参考采样时刻之前及之后基本上对称的定时偏移处。在另一实施例中，这两个偏移采样时刻发生在参考采样时刻之前及之后不对称的定时偏移处。
A-D转换器602形成采样通道的一部分，且适于对存在于其输入端子614处的相电流波形610-612进行采样，并且生成数字波形样本的流616，所述数字波形样本包括该多组对应样本。在实施例中，将数字波形样本的流616提供给控制器(例如，图1的控制器110)。
A-D转换器602电耦合到切换电路606。切换电路606可以包括例如适于在其输入端子处接收多个相电流波形并在其输出端子处产生所接收的相电流波形的其中之一的电路。在实施例中，切换电路606适于接收三个相电流波形610-612中的每一个，且根据切换电路606的状态提供所接收的相电流波形610、611或612之一给A-D转换器602。因此，与切换电路606相结合的A-D转换器602适于采样相电流波形610-612中的每一个。
切换及定时信号发生器608适于提供切换输入630给切换电路606，所述切换输入使得切换电路606在其输出端子处产生所接收的相电流波形610-612的其中之一。另外，切换及定时信号发生器608适于提供样本定时信号632到A-D转换器602，其控制A-D转换器602对存在于其输入端子614处的相电流波形进行采样的采样时刻。
图7是示出根据另一示范实施例的沿三个相电流波形710、711、712的样本点701、702、703、704、705的曲线图700，其中样本点701-705对应于各采样时刻720、721、722、723、724。曲线图700的轴包括时间轴730和振幅轴731。曲线图700示出了比每个相电流波形710-712的周期短得多的部分相电流波形710-712。
采样时刻722代表参考采样时刻t0。基本上与参考采样时刻722同时地，生成第一相电流波形710的样本，如样本点703所标示的。此样本在本文中被称为“参考样本”。在参考采样时刻t0采样的第一相电流波形710在本文中被称为“参考相电流波形”。在实施例中，使用第一采样通道生成该参考样本。例如，还参考图6，切换及定时信号发生器608可以提供样本定时信号632，该样本定时信号使得A-D转换器602生成存在于其输入端子614处的第一相电流波形的样本。哪个相电流波形存在于A-D转换器602的输入端子614处取决于切换电路606的状态。在图6示出的状态中，相电流波形610将存在于A-D转换器602的输入端子614处。
样本点701和705对应于第二相电流波形711的样本，且样本点702和704对应于第三相电流波形712的样本。采样时刻720、721代表在参考采样时刻t0之前发生的采样时刻t0-tx1和t0-ty1，且采样时刻723、724代表在参考采样时刻t0之后发生的采样时刻t0+ty2和t0+tx2。因此，采样时刻720、721、723和724在本文中被称为“偏移”采样时刻，且对应于偏移采样时刻的样本可以被称为“偏移样本”。不在参考采样时刻采样的相电流波形711和712在本文中被分别称为第一和第二“非参考相电流波形”。
值tx1，ty1，ty2和tx2在本文中被称为“样本定时偏移”。在实施例中，样本定时偏移tx1，ty1，ty2和tx2是在相电流波形710-712的周期的大约5％到大约10％范围内的值，不过在其它实施例中样本定时偏移可能更长或更短。在实施例中tx1＝tx2，且因此在时间上，采样时刻720和724在参考定时时刻t0之前及之后对称地发生。另外，在实施例中ty1＝ty2，且因此在时间上，采样时刻721和723也在参考定时时刻t0之前及之后对称地发生。在其它实施例中，样本定时偏移tx1和tx2和/或样本定时偏移ty1和ty2可以不相等，且因此在时间上，采样时刻720和724和/或721和723可以在参考定时时刻t0之前及之后不对称地发生。在又一实施例中，tx1>ty1，且tx2>ty2，不过在其它实施例中可以定义样本定时偏移之间的其它关系。
在实施例中，使用适于根据切换电路(例如，图6的切换电路606)的状态接收第一、第二或第三相电流波形710-712的单个采样通道，生成对应于样本点701-705的样本。例如，再次参考图6，切换及定时信号发生器608可以提供切换输入630给切换电路606，所述切换输入使得切换电路606的输入端子和输出端子产生第一、第二或者第三相电流波形。例如，可以如下所示顺序地控制切换电路606：
1)在偏移采样时刻720之前，可以切换切换电路706的状态，从而使得当偏移采样时刻720发生时相电流波形711将存在于A-D转换器602的输入端子614处；
2)在偏移采样时刻720之后且在偏移采样时刻721之前，可以切换切换电路606的状态，从而使得当偏移采样时刻721发生时相电流波形712将存在于A-D转换器602的输入端子614处；
3)在偏移采样时刻721之后且在参考采样时刻722之前，可以切换切换电路606的状态，从而使得当参考采样时刻722发生时相电流波形710将存在于A-D转换器602的输入端子614处；
4)在参考采样时刻722之后且在偏移采样时刻723之前，可以切换切换电路606的状态，从而使得当偏移采样时刻723发生时相电流波形712将再次存在于A-D转换器602的输入端子614处；
5)在偏移采样时刻723之后且在偏移采样时刻724之前，可以切换切换电路606的状态，从而使得当偏移采样时刻724发生时相电流波形711将再次存在于A-D转换器602的输入端子614处；和
6)然后可以对下一组对应样本重复该过程。
对于一组对应样本，下面的表3示出了包括在由A-D转换器602生成的样本流内的样本的相对定时和序列。为方便起见，用对应于样本点701-705的参考数字表示样本。符号“ix_sample_70y”表示对应于在特定采样时刻70y的”第x个”相电流波形(即，x＝1，2或3)的样本值。
 
时刻 t0-tx1 t0-ty1 t0 t0+ty1 t0+tx2
流 i2-sample-701 i3-sample-702 i1-sample-703 i3-sample-704 i2-sample-705
表3
还参看图1，由控制器110接收相电流波形样本的流140(例如，图6中的流616)。对应于参考采样时刻t0(例如，图7的参考采样时刻722)的相电流波形样本标示了参考相电流波形(例如，图7的相电流波形710)的振幅。对应于偏移采样时刻t0-tx1，t0-ty1，t0-ty2和t0+tx2(例如，图7的偏移采样时刻720、721、723、724)的相电流波形样本(例如，偏移样本)标示了在偏移采样时刻采样的第二和第三相电流波形中每一个的两个振幅。
在实施例中，处理器150基于偏移样本的值在数学上计算在参考采样时刻t0的第二和第三相电流波形(例如，图6的相电流波形611、612)的近似振幅值。在特定实施例中，处理器150将第二和第三相电流波形的近似振幅值分别计算为第二和第三相电流波形的两个偏移样本的均值。使用上面指定的符号，可以如下计算第二和第三相电流波形的近似振幅值i2approx和i3approx：
i2approx＝1/2(i2_sample_701+i2_sample_705)；和
i3approx＝1/2(i3_sample_702+i3_sample_704)
在其它实施例中，可以使用其它线性或非线性数学公式来计算第二和第三相电流波形的近似振幅值。
因此，对于给定的一组对应样本，处理器150产生包括每个相电流波形的单个值的一组经修改样本。在修改的组中的其中一个样本包括所接收的参考相电流波形(例如，i1_sample_703)的振幅值，且在该组中的第二和第三样本包括计算出的第二和第三相电流波形(例如，i2approx和i3approx)的振幅值。处理器150(或控制器110)可以为多个参考采样时刻存储修改的样本组，且因此可以随时间累积多个修改的样本组。该多个修改的样本组代表随时间对三个相电流波形的测量、或测量的相电流波形。如先前所讨论的，基于在测量的相电流波形参数与期望的相电流波形参数之间计算出的误差，处理器150生成适于减小该误差的调节器控制输入160。
图8示出了根据另一示范实施例的用于采样相电流波形的方法的流程图。例如，可以通过电动机驱动系统的多个部分执行该方法，诸如先前结合图1、6和7讨论的电动机驱动系统及其部分的各种实施例。在各种实施例中，该方法可以通过硬件、软件、固件和/或它们的各种组合来执行。
该方法可以开始于在块802中配置相电流采样装置以提供第一非参考相电流波形给相电流采样装置(例如，图1的相电流采样装置108)的采样通道。例如，还参看图1、6和7，可以控制与相电流采样装置相关联的切换电路(例如，图6的切换电路606)以在与第一采样通道相关联的A-D转换器(例如，图6的A-D转换器602)的输入端子处提供该第一非参考相电流波形。
在块804中，第一采样通道在第一偏移采样时刻(例如，t0-tx1)处生成第一非参考相电流波形的第一偏移样本。例如，A-D转换器可以接收样本定时信号(例如，图6的样本定时信号632)，且响应于该样本定时信号，该A-D转换器可以生成第一非参考相电流波形的样本。
在块806中，相电流采样装置可以被配置成提供第二非参考相电流波形给采样通道，且在块808中，第一采样通道在第二偏移采样时刻(例如，t0-ty1)处生成第二非参考相电流波形的第一偏移样本。
在块810中，相电流采样装置可以被配置成提供参考相电流波形给采样通道，且在块812中，第一采样通道在参考采样时刻(例如，t0)处生成参考相电流波形的样本。
在块814中，相电流采样装置可以再被配置成提供第二非参考相电流波形给采样通道，且在块816中，第一采样通道在第三偏移采样时刻(例如，t0+ty2)处生成第二非参考相电流波形的第二偏移样本。
在块818中，相电流采样装置可以再被配置成提供第一非参考相电流波形给采样通道，且在块820中，第一采样通道在第四偏移采样时刻(例如，t0+tx2)处生成第一非参考相电流波形的第二偏移样本。
在块822中，基于非参考相电流波形的偏移样本，可以计算在参考采样时刻t0处的非参考相电流波形的近似值。如先前所讨论的，例如，基于对应于非参考相电流波形的偏移样本的值，处理器(例如，图1的处理器150)可以在数学上计算在参考采样时刻t0处的每个非参考相电流波形的近似振幅值。在特定实施例中，处理器可以将非参考相电流波形的近似振幅值计算为对应于非参考相电流波形的偏移样本的均值。
非参考相电流波形的近似值，连同参考相电流波形的参考样本一起，形成了包括每个相电流波形的单个值的经修改的样本组。在实施例中，生成并分析多个样本组，且根据该分析控制电动机驱动系统。因此，如图8所示的，可以重复该方法以便生成该多个样本组。将结合图9更详细地讨论对样本的分析。
图9示出了根据示范实施例的用于调节相电流的方法的流程图。例如，可以由电动机驱动系统的多个部分执行该方法，诸如先前结合图1及别处而讨论的电动机驱动系统及其部分的各种实施例。在各种实施例中，可以通过硬件、软件、固件和/或它们的各种组合执行该方法。
根据在前面详细说明的实施例，例如在累积多个相电流波形样本组的期间及之后，可以开始该方法，其中该多个相电流波形样本组的每一个包括非参考相电流波形的至少一个近似值。在实施例中，该方法开始于在块902中将多个相电流波形样本组转换为同步参考坐标系。例如，多个相电流波形样本组可以代表在一段时间内的三个相电流。当转换为同步参考坐标系时，诸如两轴的dq同步参考坐标系，可以表现出同步坐标系电流(即，d和q电流)。
图10是示出根据示范实施例的采样的同步坐标系电流的示例的曲线图1000。曲线图1000的轴包括电位置轴1010和振幅轴1011。样本1020(由圆圈标示)代表q电流值，且样本1022(由菱形标示)代表d电流值。使用本创造性主题的实施例，同步坐标系电流没有显示出显著的振幅变化(例如，“摆动”)，其中使用常规的采样技术可能存在显著的振幅变动。
再参看图9，在块904中，可以计算同步坐标系电流中的误差。在实施例中，此计算包括将来自同步参考坐标系的d电流值和q电流值的每一个与期望的d和q电流值相比较。
图11是示出根据示范实施例的对于d和q电流的误差曲线的示例的曲线图1100。曲线图1100的轴包括电位置轴1110和以百分比表示的误差轴1111。点1120(由圆圈标示)代表q电流中的误差，且点1122(由菱形标示)代表d电流中的误差。使用本创造性主题的实施例，同步坐标系电流可以呈现出明显小于使用常规采样技术时所存在的误差百分比。
再参看图9，在块906中，可以基于计算的误差而调节相电流(例如，图1的相电流118)，以便减少误差。例如，调节可以包括：处理器(例如，图1的处理器150)提供命令、数据或其它调节器控制输入(例如，图1的调节器控制输入160)，其使得调节器(例如，图1的调节器152)能够生成可能有助于减小d和q电流中误差、且因而有助于减小相电流中误差的逆变器控制输入(例如，图1的逆变器控制输入152)。该方法然后可以结束。
本创造性主题的实施例可以被合并到包括一个或多个电动机的许多系统中的任何系统中。例如，但不是为了限制，可以在其中使用一个或多个电动机来提供转矩给其它车辆部件的机动车辆应用中，诸如在电动机动车辆和混合动力电动车辆(HEV)中，实现本创造性主题的实施例。
图12示出了根据本创造性主题的示范实施例的安装在HEV 1200中的电动机驱动系统的简化图。车辆1200包括内燃机，燃料电池，灵活燃料发动机，或其它替代的推进系统1202，至少一个电动机1204，至少一个电动机驱动系统1206，以及一个或多个电能存储系统1208(例如电池或超级电容器)。替代(alternate)的推进系统1202和电动机1204可以择一地或同时地提供转矩给车辆1200的驱动系和/或其它部件(未示出)。在全电动车辆中，可以不包括替代的推进系统1202。电能储存系统1208可以形成适于将能量至少提供给电动机驱动系统1206的可再充电能量储存系统的一部分。
如本文中所讨论的，电动机驱动系统1206包括本创造性主题的一个或多个实施例。因此，电动机驱动系统1206适于生成多个相电流波形，采样和分析该多个相电流波形，并基于所述采样和分析控制相电流波形的生成。这反过来影响由电动机1204产生的转矩。
连同机动车辆应用一起，本创造性主题的实施例也可以在多种其它类型的系统中实施，其中在相电流调节过程中采样并评估多个相电流。例如，但不是为了限制，本创造性主题的实施例可以在工业应用中，和/或其它类型的运动控制应用中实施。因此，这种实施方式和实施例打算包括在本创造性主题的范围内。
尽管已经在前述详细描述中给出了至少一个示例性实施例，应领会到存在着大量的变型。例如，尽管图3和6示出了适于选择性地提供多个相电流波形之一给单个A-D转换器(例如，A-D转换器302、602)的切换电路(例如，切换电路306、606)，在其它实施例中可以提供额外的切换电路以选择性地提供多个相电流波形之一给一个或多个其它A-D转换器。同样在其它实施例中，可以采用切换电路来选择性地提供超过三个相电流波形的其中之一。可以将本文中说明的相电流采样装置和方法的实施例按比例放大或减小以适应多于或少于三个相电流波形的采样和分析。此外，尽管已经将各种系统部件示出为电气地、物理地或操作性地耦合到一些其它系统部件和/或形成一些子系统(例如，相电流采样装置或系统控制器)的部分，应理解到可以不同于上面描述及示出的实施例的其它方法来电气地、物理地或操作性地耦合某些系统部件，和/或系统部件可以形成其它子系统的部分，和/或系统部件可以不与任何特定的子系统相关联(例如，它们可以是分立部件)。
示例性实施例仅是范例，且并不打算以任何方式限制本创造性主题的配置、应用或范围。相反，前述详细描述将给本领域技术人员提供实施示例性实施例的便利指导方针。应理解可以在元件的功能和布置方面进行各种改变，而不脱离如所附权利要求书及其法律等效物中记载的本创造性主题的范围。

Claims (20)

1.一种相电流采样装置，包括：
具有多个输入端子和一输出端子的切换电路，其中该切换电路适于接收至少包括第一相电流波形和第二相电流波形的多个相电流波形，并在至少两个偏移采样时刻期间在该输出端子处提供第一相电流波形，并且在参考采样时刻期间在该输出端子处提供第二相电流波形；和
第一模数转换器，其适于接收第一相电流波形和第二相电流波形，并在所述偏移采样时刻生成代表第一相电流波形的振幅的数字值，并且在所述参考采样时刻生成代表第二相电流波形的振幅的数字值。
2.根据权利要求1所述的相电流采样装置，还包括：
第二模数转换器，其适于接收第三相电流波形，并且在所述参考采样时刻处生成代表第三相电流波形的振幅的数字值。
3.根据权利要求1所述的相电流采样装置，其中该多个相电流波形包括两个相电流波形，且该多个输入端子包括两个输入端子。
4.根据权利要求1所述的相电流采样装置，其中该多个相电流波形包括三个相电流波形，且该多个输入端子包括三个输入端子，且其中该切换电路还适于在至少两个其它偏移采样时刻期间在所述输出端子处提供第三相电流波形，且其中第一模数转换器适于接收第三相电流波形、以及在所述其它偏移采样时刻生成代表第三相电流波形的振幅的数字值。
5.根据权利要求1所述的相电流采样装置，其中所述偏移采样时刻包括第一偏移采样时刻和第二采样时刻，所述第一偏移采样时刻和第二采样时刻在所述参考采样时刻之前和之后基本上对称地发生。
6.一种电动机驱动系统，包括：
逆变器，其适于基于逆变器控制输入生成多个相电流波形，所述多个相电流波形至少包括第一相电流波形和第二相电流波形；
相电流采样装置，其具有：
切换电路，所述切换电路具有多个输入端子和一输出端子，其中该切换电路适于接收该多个相电流波形，且在至少两个偏移采样时刻期间在所述输出端子处提供第一相电流波形，并且在参考采样时刻期间在所述输出端子处提供第二相电流波形，和
第一模数转换器，其适于接收第一相电流波形和第二相电流波形，且在所述偏移采样时刻生成代表第一相电流波形的振幅的数字值，并且在所述参考采样时刻生成代表第二相电流波形的振幅的数字值；和
控制器，其适于接收代表第一相电流波形的振幅的数字值，并且根据代表所述第一相电流波形的振幅的数字值计算第一相电流波形的近似值。
7.根据权利要求6所述的电动机驱动系统，其中控制器包括：
处理器，其适于对代表第二相电流波形的振幅的数字值和所述近似值进行分析，并且基于该分析生成调节器控制输入；和
调节器，其适于接收所述调节器控制输入并且基于该调节器控制输入生成所述逆变器控制输入。
8.根据权利要求6所述的电动机驱动系统，其中相电流采样装置还包括：
第二模数转换器，其适于接收第三相电流波形，并且在参考采样时刻处生成代表第三相电流波形的振幅的数字值。
9.根据权利要求8所述的电动机驱动系统，其中控制器还适于接收代表第三相电流波形的振幅的数字值，且该控制器包括：
处理器，其适于对所述近似值、代表第二相电流波形的振幅的数字值、和代表第三相电流波形的振幅的数字值进行分析，并基于该分析生成调节器控制输入；和
调节器，其适于接收所述调节器控制输入并基于所述调节器控制输入生成逆变器控制输入。
10.一种机动车辆，包括：
电动机，其适于接收多个相电流波形并响应于该多个相电流波形提供转矩，所述多个相电流波形至少包括第一相电流波形和第二相电流波形；和
电动机驱动系统，其具有：
逆变器，所述逆变器适于基于逆变器控制输入生成该多个相电流波形，
相电流采样装置，所述相电流采样装置具有：
切换电路，其具有多个输入端子和一输出端子，其中该切换电路适于接收该多个相电流波形，且在至少两个偏移采样时刻期间在该输出端子处提供第一相电流波形，并且在参考采样时刻期间在该输出端子处提供第二相电流波形，和
第一模数转换器，其适于接收第一相电流波形和第二相电流波形，且在所述偏移采样时刻生成代表第一相电流波形的振幅的数字值，并且在所述参考采样时刻生成代表第二相电流波形的振幅的数字值，和
控制器，其适于接收代表第一相电流波形的振幅的数字值，并且根据所述代表第一相电流波形的振幅的数字值计算第一相电流波形的近似值。
11.根据权利要求10所述的机动车辆，其中该电动机适于接收三个相电流波形。
12.根据权利要求10所述的机动车辆，还包括：
替代推进系统，其适于与电动机择一地或同时地提供转矩。
13.一种用于调节相电流波形的方法，包括以下步骤：
通过第一模数转换器在第一偏移采样时刻生成第一相电流波形的第一样本，所述第一偏移采样时刻发生在参考采样时刻t0之前的第一定时偏移tx1处；
通过第一模数转换器在所述参考采样时刻生成第二相电流波形的第二样本；和
通过第一模数转换器在第二偏移采样时刻生成第一相电流波形的第三样本，所述第二偏移采样时刻发生在所述参考采样时刻之后的第二定时偏移tx2处。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
通过第二模数转换器在所述参考采样时刻生成第三相电流波形的第四样本。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
基于第一样本和第三样本计算在所述参考采样时刻处的第一相电流波形的近似值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中tx1基本上等于tx2，且计算包括以下步骤：
计算第一样本和第三样本的均值，其中该均值代表在所述参考采样时刻处的第一相电流波形的近似值。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
通过第一模数转换器在第三偏移采样时刻生成第三相电流波形的第四样本，所述第三偏移采样时刻发生在所述参考采样时刻之前的第三定时偏移ty1处；和
通过第一模数转换器在第四偏移采样时刻生成第三相电流波形的第五样本，所述第四偏移采样时刻发生在所述参考采样时刻之后的第四定时偏移ty2处。
18.根据权利要求17所述的方法，其中tx1基本上等于tx2，且其中ty1基本上等于ty2，该方法还包括以下步骤：
计算第一样本和第三样本的第一均值，其中第一均值代表在所述参考采样时刻处的第一相电流波形的近似值；和
计算第四样本和第五样本的第二均值，其中第二均值代表在所述参考采样时刻处的第三相电流波形的近似值。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
对第一样本、第二样本、和第三样本进行分析；和
基于该分析调节相电流波形。
20.根据权利要求19所述的方法，其中进行所述分析包括以下步骤：
计算第一样本和第三样本的均值，其中该均值代表在所述参考采样时刻处的第一相电流波形的近似值。
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