CN102195553A - 用于五相机过调制的方法、系统和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于五相机过调制的方法、系统和设备。具体地，提供了用于在矢量控制马达驱动系统中进行五相机过调制的方法、系统和设备，其包括：用于驱动五相机的五相PWM受控的变换器模块。提供了用于过调制参考电压矢量的技术，以优化用于控制五相变换器模块的电压命令信号，从而增大由五相变换器模块所产生的输出电压。

Description

用于五相机过调制的方法、系统和设备

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明在美国能源部提供的政府支持(DE-FC26-07NT43123)下进行。政府对本发明具有特定权利。

技术领域

本发明的各实施例总体上涉及用于控制多相系统(例如采用五相机的多相系统)操作的技术，且更具体地涉及用于五相系统中的过调制的方法、系统和设备。

背景技术

电机广泛用于各种应用中。例如，混合动力/电动运载工具(HEVs)典型地包括电动牵引驱动系统，该电动牵引驱动系统包括交流(AC)电动马达，交流电动马达由具有直流(DC)电源(例如蓄电池)的功率转换器驱动。AC电动马达的马达绕组可被联接到功率变换器模块(PIM)的变换器子模块。每个变换器子模块包括成对开关，其以互补方式开关以执行快速开关功能，从而将DC电力转换为AC电力。这种AC电力驱动AC电动马达，AC电动马达进而驱动HEV传动系的轴。传统HEV采用两个三相脉宽调制(PWM)的变换器模块和两个AC三相机(例如AC马达)，且每个三相AC机由三相PWM变换器模块中所联接的对应一个驱动。

许多现今高性能AC马达驱动器都使用了场定向控制(FOC)或“矢量”控制的原理来控制AC电动马达的操作。特别地，矢量控制常用于可变频驱动器，以通过控制供给到AC电动马达的电流来控制施加于AC电动马达轴的扭矩(并最终控制速度)。简言之，定子相电流被测量并被转换为对应的复数空间矢量。此电流矢量然后被转变为随AC电动马达的转子旋转的坐标系统。

近来，研究者已经看到在包括电动运载工具在内的各种应用中使用多相机的可能性。在此使用的术语“多相”是指多于三相，并可用于表示具有三相或更多相的电机。多相电机的一个示例是五相AC机。在五相系统中，五相PWM变换器模块驱动一个或多个五相AC机。

虽然正在探索在HEV中使用五相系统(例如五相变换器和马达构造)的可能性，不过，在这些系统可真正实现之前仍需进行大量工作。例如，在HEV中采用五相电驱动器的应用环境中，希望具有高扭矩用于任意给定旋转速度，这是因为可用最大扭矩允许HEV更快地加速和减速，并在驾驶过程中具有更佳的动态性能。

因此，希望增大由驱动五相AC机的变换器模块产生的输出电压，这是因为，这增大了由五相机产生的机械扭矩，其可以改进机器效率和性能、以及对DC电压源的利用。通过随后结合附图进行的详细描述和所附权利要求书以及前述技术领域和背景技术，本发明的其它所希望的特征和特性将变得明显。

发明内容

本发明的实施例涉及用于控制矢量控制马达驱动系统中的五相机的操作的方法、系统和设备，所述矢量控制马达驱动系统包括用于驱动五相机的五相PWM控制的变换器模块。在一个实施例中，所提供的方法、系统和设备用于过调制参考电压矢量，以优化对五相变换器模块进行控制的电压命令信号，以增大由所述五相变换器模块所产生的输出电压。

根据此实施例，为了确定参考电压矢量是否处于线性调制区域内，确定参考电压矢量的量值(Vr)是否小于或等于用于线性调制区域的电压阈值(Vlin)。如果确定参考电压矢量处于第一过调制区域内，则基于参考电压矢量的量值(Vr)和校正因子系数k(MI)产生参考电压矢量的修正量值(Vr^*)，而参考电压矢量的角度(α)不变。

当确定参考电压矢量的量值(Vr)大于线性调制区域的电压阈值(Vlin)时，通过确定参考电压矢量的量值(Vr)是否小于或等于第一过调制区域的电压阈值(VI)，从而确定参考电压矢量是处于第一过调制区域内还是处于第二过调制区域内。如果参考电压矢量的量值(Vr)大于第一过调制区域的电压阈值(VI)，则确定参考电压矢量处于第二过调制区域内，并产生参考电压矢量的修正量值(Vr^*)和参考电压矢量的修正角度(α^*)。参考电压矢量的修正角度(α^*)不同于参考电压矢量的角度(α)。

在第二过调制区域中，参考电压矢量的修正量值(Vr^*)和修正角度(α^*)都基于扇区的角度范围而变化。

例如，当参考电压矢量的角度(α)处于第一角度范围中时，基于第一激活电压开关矢量(V_n)确定(例如计算出)参考电压矢量的修正量值(Vr^*)，并基于扇区序数(n)确定参考电压矢量的修正角度(α^*)。

另一方面，当参考电压矢量的角度(α)处于第二角度范围中时，基于线性区域电压阈值(Vlin)、参考电压矢量的角度(α)、扇区序数(n)和保持角度α_h(MI)(其为调制指数的函数)而确定参考电压矢量的修正量值(Vr^*)。基于参考电压矢量的角度(α)、扇区序数(n)和保持角度α_h(MI)而确定参考电压矢量的修正角度(α^*)。

与此不同的是，当参考电压矢量的角度(α)处于第三角度范围中时，基于第二激活电压开关矢量(V_n+1)确定参考电压矢量的修正量值(Vr^*)，并基于扇区序数(n)确定参考电压矢量的修正角度(α^*)。

本发明还包括以下方案：

方案1.一种用于过调制参考电压矢量的方法，用于优化对五相变换器模块进行控制的电压命令信号，以增大由所述五相变换器模块所产生的输出电压，所述方法包括：

基于所述电压命令信号，确定所述参考电压矢量的量值和角度；

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于阈值；和

当确定所述参考电压矢量的量值小于或等于阈值时，基于所述参考电压矢量的量值和所述参考电压矢量的角度，产生所述参考电压矢量的修正量值和修正角度。

方案2.根据方案1所述的方法，其中，所述确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于阈值的步骤包括：

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于线性调制区域的线性区域电压阈值，以确定所述参考电压矢量是否处于所述线性调制区域内。

方案3.根据方案2所述的方法，当确定所述参考电压矢量的量值大于所述线性调制区域的所述线性区域电压阈值时，进一步包括以下步骤：

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于第一过调制区域的第一电压阈值，以确定所述参考电压矢量是处于所述第一过调制区域内，还是处于第二过调制区域内。

方案4.根据方案3所述的方法，当确定所述参考电压矢量的量值小于或等于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值，并且确定所述参考电压矢量处于所述第一过调制区域内时，所述产生所述参考电压矢量的修正量值和修正角度α^*的步骤包括：

基于所述参考电压矢量的量值和校正因子系数产生所述参考电压矢量的修正量值，并产生与所述参考电压矢量的角度相等的所述参考电压矢量的修正角度。

方案5.根据方案3所述的方法，当确定所述参考电压矢量的量值大于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值，并且确定所述参考电压矢量处于所述第二过调制区域内时，所述产生所述参考电压矢量的修正量值和修正角度α^*的步骤包括：

基于作为调制指数函数的保持角度产生基于扇区序数n变化的所述参考电压矢量的修正量值，并产生与所述参考电压矢量的角度不同且基于所述扇区序数n变化的所述参考电压矢量的修正角度。

方案6.根据方案5所述的方法，其中，所述基于作为调制指数函数的保持角度产生基于扇区序数n变化的所述参考电压矢量的修正量值，并产生与所述参考电压矢量的角度不同且基于所述扇区序数n变化的所述参考电压矢量的修正角度的步骤包括：

当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第一角度范围内时，基于第一激活电压开关矢量产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述扇区序数产生所述参考电压矢量的修正角度；

当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第二角度范围内时，基于所述线性区域电压阈值、所述参考电压矢量的角度、所述扇区序数n和作为调制指数的函数的所述保持角度来产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述参考电压矢量的角度、所述扇区序数n和所述保持角度来产生所述参考电压矢量的修正角度；和

当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第三角度范围内时，基于第二激活电压开关矢量产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述扇区序数n产生所述参考电压矢量的修正角度。

方案7.根据方案1所述的方法，其中，所述基于电压命令信号，确定所述参考电压矢量的量值和角度的步骤包括：

基于同步参考系d轴电压命令信号和同步参考系q轴电压命令信号，确定所述参考电压矢量的量值和角度。

方案8.一种五相系统，包括：

五相变换器模块，其基于控制所述五相变换器模块的电压命令信号而产生输出电压；

五相机，其通过由所述五相变换器模块产生的所述输出电压来驱动；和

过调制处理器，其被设计为过调制参考电压矢量以优化所述电压命令信号，从而增大由所述五相变换器模块所产生的所述输出电压。

方案9.根据方案8所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于阈值；和

当确定所述参考电压矢量的量值小于或等于阈值时，基于所述参考电压矢量的量值和所述参考电压矢量的角度，产生所述参考电压矢量的修正量值和修正角度。

方案10.根据方案9所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于线性调制区域的线性区域电压阈值，以确定所述参考电压矢量是否处于所述线性调制区域内。

方案11.根据方案10所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：当确定所述参考电压矢量的量值大于所述线性调制区域的所述线性区域电压阈值时，确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于第一过调制区域的第一电压阈值，以确定所述参考电压矢量是处于所述第一过调制区域内，还是处于第二过调制区域内。

方案12.根据方案11所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：当确定所述参考电压矢量的量值小于或等于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值且确定所述参考电压矢量处于所述第一过调制区域内时，基于所述参考电压矢量的量值和校正因子系数产生所述参考电压矢量的修正量值。

方案13.根据方案11所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：当确定所述参考电压矢量的量值大于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值且确定所述参考电压矢量处于所述第二过调制区域内时，产生所述参考电压矢量的修正量值和修正角度。

方案14.根据方案11所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：当确定所述参考电压矢量的量值大于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值且确定所述参考电压矢量处于所述第二过调制区域内时，产生基于扇区序数n和作为调制指数的函数的保持角度而变化的所述参考电压矢量的修正量值，并产生与所述参考电压矢量的角度不同且基于所述扇区序数n变化的所述参考电压矢量的修正角度。

方案15.根据方案14所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第一角度范围内时，基于第一激活电压开关矢量产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述扇区序数产生所述参考电压矢量的修正角度。

方案16.根据方案15所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第二角度范围内时，基于所述线性区域电压阈值、所述参考电压矢量的角度、所述扇区序数n、和作为调制指数的函数的所述保持角度来产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述参考电压矢量的角度、所述扇区序数n和所述保持角度来产生所述参考电压矢量的修正角度。

方案17.根据方案16所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第三角度范围内时，基于第二激活电压开关矢量产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述扇区序数n产生所述参考电压矢量的修正角度。

方案18.根据方案8所述的系统，其中，所述过调制处理器被进一步设计为：

基于同步参考系d轴电压命令信号和同步参考系q轴电压命令信号，确定所述参考电压矢量的量值和角度。

方案19.一种用于过调制参考电压矢量的方法，用于优化对五相变换器模块进行控制的电压命令信号，以增大由所述五相变换器模块所产生的输出电压，所述方法包括：

基于同步参考系电压命令信号，确定所述参考电压矢量的量值和角度；

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于线性调制区域的线性区域电压阈值，以确定所述参考电压矢量是否处于所述线性调制区域内；

当确定所述参考电压矢量的量值小于或等于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值且确定所述参考电压矢量处于所述第一过调制区域内时，基于所述参考电压矢量的量值和校正因子系数产生所述参考电压矢量的修正量值，并产生与所述参考电压矢量的角度相等的所述参考电压矢量的修正角度；

当确定所述参考电压矢量的量值大于所述线性调制区域的所述线性区域电压阈值时，确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于第一过调制区域的第一电压阈值，以确定所述参考电压矢量是处于所述第一过调制区域内，还是处于第二过调制区域内；和

当确定所述参考电压矢量的量值大于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值且确定所述参考电压矢量处于所述第二过调制区域内时，产生所述参考电压矢量的修正量值和所述参考电压矢量的修正角度，所述参考电压矢量的修正角度与所述参考电压矢量的角度不同。

方案20.根据方案19所述的方法，其中，所述产生所述参考电压矢量的修正量值和与所述参考电压矢量的角度不同的所述参考电压矢量的修正角度的步骤包括：

当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第一角度范围内时，基于第一激活电压开关矢量产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述扇区序数n产生所述参考电压矢量的修正角度；

当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第二角度范围内时，基于所述线性区域电压阈值、所述参考电压矢量的角度、所述扇区序数n、和作为调制指数的函数的所述保持角度来产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述参考电压矢量的角度、所述扇区序数n、和所述保持角度来产生所述参考电压矢量的修正角度；和

当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第三角度范围内时，基于第二激活电压开关矢量产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述扇区序数n产生所述参考电压矢量的修正角度。

附图说明

在下文中，将结合附图描述本发明的实施例，其中，相同的附图标记表示相同的元件。

图1是根据一些所公开实施例的矢量控制马达驱动系统的一个示例的框图；

图2是马达驱动系统的一部分的框图，其中马达驱动系统包括连接到五相AC马达的五相电压源变换器模块；

图3A和3B表示了状态空间电压开关矢量图，其中例示出用于在五相变换器模块中驱动开关的三十二个电压开关矢量中的三十个；

图3C是总结出用于呈现图3A和3B中所示每个电压开关矢量的开/关(on/off)状态的不同组合的表；

图4是例示出十边形区域的示意图，所述十边形区域通过将十个被标准化为DC环节电压的大电压开关矢量与三个分立调制区域相联接而形成；

图5A是图4的扇区序数的放大图，其中更详细地例示出图4的调制区域；

图5B是图5A的调制区域的更详细的放大图；

图6是例示出根据一些所公开实施例的用于过调制参考电压矢量的方法的流程图，所述参考电压矢量表示用于控制五相变换器模块的电压命令；

图7的图线描绘出根据一些所公开实施例的用于第一过调制区域的校正因子系数k(MI)，其为调制指数(MI)的函数；和

图8的图线描绘出根据一些所公开实施例的用于第二过调制区域的保持角度α_h(MI)(度)，其为调制指数(MI)的函数。

具体实施方式

在此使用的措辞“示例性”是指“用作示例、例子或例示”。以下详细描述实际上仅为示例性的，而不是用于限制本发明或本发明的应用和使用。在此作为“示例性”而描述的任何实施例不必被认为对于其它实施例而言是优选的或有利的。在“具体实施方式”中描述的所有实施例均为示例性的实施例，用于使本领域技术人员能够实施或使用本发明，而不是限制由权利要求书限定的本发明的范围。而且，本发明不受限于在前述的技术领域、背景技术、发明内容或在以下的详细描述中呈现的任何明示或暗示的原理(或理论)。

在详细描述根据本发明的实施例之前，应看到，各实施例主要在于涉及控制五相系统操作的各方法步骤和设备部件的组合。应认识到，在此描述的本发明的实施例可使用硬件、软件或它们的组合实施。在此描述的控制电路可包括各种可使用模拟和/或数字电路、分立或集成的模拟或数字电子电路、或它们的组合实现的部件、模块、电路和其它逻辑器件。在此使用的术语“模块”是指用于执行任务的装置、电路、电子部件、和/或基于软件的部件。在一些实施方案中，当在这样的电路中实施一部分或所有的控制逻辑时，在此描述的控制电路可使用基于一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个微处理器、和/或一个或多个数字信号处理器(DSP)的电路来实施。应认识到，在此描述的本发明的实施例可包括一个或多个传统处理器和用于控制所述一个或多个处理器的专门存储的程序指令，以与特定非处理器电路相结合而实现一些、大多数或所有用于控制如在此所述的五相系统的操作的功能。这样，这些功能可被认为是用于控制五相系统操作的方法的步骤。可替代地，一些或所有功能可通过状态机(其中未存储程序指令)实现，或在一个或多个专用集成电路(ASIC)(其中的每个功能或一些特定功能组合被实现为定制的逻辑)中实现。当然，可使用这两种方式的组合。这样，用于这些功能的方法和装置将在此描述。进一步地，可预计的是，本领域普通技术人员在受到在此公开的思路和原理的引导下，即使没有在例如可用时间、当前技术和经济考虑因素的支持下进行可能的重大努力和多种设计选择，但也将能够容易地通过最少的试验产生这样的软件指令和程序和IC。

总览：

本发明的各实施例涉及用于五相机中的过调制的方法、系统和设备。所公开的用于控制五相系统操作和调整被供应到五相机的电流的方法、系统和设备可在例如混合动力/电动运载工具(HEV)之类的操作环境中实施。在现在将描述的示例性实施方案中，控制技术和工艺将被描述为应用于混合动力/电动运载工具。不过本领域技术人员应认识到，相同或相似的技术或工艺可应用于其它系统的应用环境中，在这些系统中，当一个或多个相经历故障或失效时，希望控制五相系统的操作和调整在此系统中被供应到五相机的电流。由此，在此公开的任何概念一般都可应用于“运载工具”，在此使用的术语“运载工具”广义上是指具有AC机的非人力交通运输机构。这种运载工具的示例包括：车辆，例如公共汽车、轿车、卡车、多用途运动型车、货车；不在陆上行进的运载工具，例如机械的水上运载工具包括轮船、气垫船、帆船、小型船艇、大型海船；机械的水下运载工具包括潜艇；机械的空中运载工具，包括飞行器和太空船；机械的轨道运载工具，例如火车、有轨车辆、滚轮台车，等等。此外，术语“运载工具”不限于任何诸如汽油或柴油之类的特定推进技术。而实际上，运载工具还包括混合动力运载工具、电池电动运载工具、氢能运载工具、和使用各种其它可替代燃料的运载工具。

在此使用的术语“交流(AC)机”通常是指“将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的装置或设备”。AC机一般可分为同步AC机和异步AC机。同步AC机可包括永磁机和磁阻机。永磁机包括表面安装永磁机(SMPMMs)和内部永磁机(IPMMs)。异步AC机包括感应机。虽然AC机可为AC马达(例如，用于将在其输入端的AC电能进行转换以产生机械能或动力的设备)，不过AC机不限于作为AC马达，而是也可涵盖用于将在其主动机处的机械能或动力转换为在其输出端处的AC电能或功率的发电机。任何这种机器可为AC马达或AC发电机。AC马达是由交流驱动的电动马达。在一些实施方案中，AC马达包括：外侧固定定子，其具有被供应以交流以产生旋转磁场的线圈；和内侧转子，其附接到通过旋转场提供扭矩的输出轴。根据所使用转子的种类，AC马达可分为同步马达或异步马达。

图1是根据所公开实施例的矢量控制马达驱动系统100的一个示例的框图。系统100利用联接到五相AC机120的五相脉宽调制(PWM)变换器模块110来控制五相AC机120，使得通过调节用于控制五相AC机120的电流命令，五相AC机120可有效使用被提供到五相PWM变换器模块110的DC输入电压(Vdc)。在一个具体实施方案中，矢量控制马达驱动系统100可用于控制HEV中的扭矩。

在以下对一个具体的非限制性实施方案的描述中，五相AC机120被描述为五相AC供能的马达120，特别是五相永磁体同步AC供能的马达(或更广义地为马达120)；不过，应认识到，所示实施例仅为使所公开实施例可以被应用的AC机类型的一个非限制性示例，而进一步地，所公开的实施例可应用于包括五相或更多相的任何类型的多相AC机。

五相AC马达120经由五个变换器电极(poles)联接到五相PWM变换器模块110，并基于从PWM变换器模块110接收到的五相正弦电流信号产生机械动力(扭矩×速度)。在一些实施方案中，五相AC马达120的转子角度位置(θr)或者“轴位置”使用位置传感器(未示出)进行测量；在其它实施方案中，五相AC马达120的转子角度位置(θr)可使用无传感器的位置估计技术进行估计，而不使用位置传感器。

在描述系统100的操作细节之前，将参照图2提供五相电压源变换器110的一个示例性实施方案的更详细描述(包括其如何连接到五相AC马达120)。

图2是马达驱动系统的一部分的框图，其中马达驱动系统包括被连接到五相AC马达120的五相电压源变换器110。应注意，图1中的五相电压源变换器110和五相马达120不限于这种实施方案；而是，图2仅为图1中的五相电压源变换器110和五相马达120如何在一个具体实施例中加以实施的一个示例。

如图2中所示，五相AC马达120具有连接到马达端子A、B、C、D、E的五个定子或马达绕组120a、120b、120c、120d、120e，五相PWM变换器模块110包括电容器180和五个变换器子模块115-119。在此实施例中，在相A中，变换器子模块115联接到马达绕组120a；在相B中，变换器子模块116联接到马达绕组120b；在相C中，变换器子模块117联接到马达绕组120c；在相D中，变换器子模块118联接到马达绕组120d；在相E中，变换器子模块119联接到马达绕组120e。马达绕组A、B、C、D、E(120a、120b、120c、120d、120e)在中性点(N)处联接到一起。进入马达绕组A 120a的电流流出马达绕组B-E、120b-120e；进入马达绕组B 120b的电流流出马达绕组A、C、D、E、120a、120c-e；进入马达绕组C 120c的电流流出马达绕组A、B、D、E、120a、120b、120d、120e；进入马达绕组D 120d的电流流出马达绕组A、B、C、E、120a-c、120e；进入马达绕组E 120e的电流流出马达绕组A-D、120a-d。

作为结果而形成的相电流或定子电流(Ia-Ie)122、123、124、125、126流动通过相应定子绕组120a-e。在每个定子绕组120a-120e两端上的相至中性的电压分别表示为Van、Vbn、Vcn、Vdn、Ven，其中在每个定子绕组120a-120e中产生的反电动势(EMF)电压分别显示为由理想电压源产生的电压Ea、Eb、Ec、Ed、Ee，每个电压分别显示为与定子绕组120a-120e串联连接。公知的是，这些反EMF电压Ea、Eb、Ec、Ed、Ee是通过永磁体转子旋转而在相应定子绕组120a-120e中所感生的电压。虽然未示出，不过马达12联接到驱动轴。

变换器110包括：电容器270，包括双开关272/273、274/275的第一变换器子模块115，包括双开关276/277、278/279的第二变换器子模块116，包括双开关280/281、282/283的第三变换器子模块117，包括双开关284/285、286/287的第四变换器子模块118，包括双开关288/289、290/291的第五变换器子模块119。这样，变换器110具有十个固态的可控开关装置272、274、276、278、280、282、284、286、288、290和十个二极管273、275、277、279、281、283、285、287、289、291，以适合地开关复合电压(VDC)，从而提供对五相AC马达120的定子绕组120a、120b、120c、120d、120e的五相供能。

虽然未示出，不过，闭环马达控制器可从马达120接收马达命令信号和马达操作信号，从而产生控制信号以控制变换器子模块115-128内的固态开关装置272、274、276、278、280、282、284、286、288、290的开关。用于构建这些控制信号的这些开关矢量的示例将在下文中描述。通过将适合控制信号提供到各变换器子模块115-119，闭环马达控制器控制变换器子模块115-119内的固态开关装置272、274、276、278、280、282、284、286、288、290的开关，并由此分别控制被提供到马达绕组120a-120e的变换器子模块115-119的输出。作为结果形成的由五相变换器模块110的变换器子模块115-119产生的定子电流(Ia…Ie)122-126被提供到马达绕组120a、120b、120c、120d、120e。电压Van、Vbn、Vcn、Vdn、Ven、Ea、Eb、Ec、Ed、Ee和在节点N处的电压根据变换器模块110的变换器子模块115-119中的开关272、274、276、278、280、282、284、286、288、290的断开/闭合状态而随时间波动。

再次参见图1，矢量控制马达驱动系统100包括：扭矩至电流映射模块140，同步(SYNC.)系电流调整器模块170，过调制预处理器180，同步至静止(SYNC.-TO-STAT.)转变模块102，αβ参考系至abcde参考系(αβ至abcde)转变模块106，空间矢量(SV)PWM模块108，五相PWM变换器110，abcde参考系至αβ参考系(abcde至αβ)转变模块127，静止至同步(STAT.-TO-SYNC.)转变模块130。

扭矩至电流映射模块140接收扭矩命令信号(Te^*)136、轴的角度旋转速度(ωr)138(其基于转子/轴位置输出(θr)121的导数产生)和DC输入电压(Vdc)139作为输入，并可根据实施方案接收各种其它系统参数。扭矩至电流映射模块140使用这些输入而产生d轴电流命令(Id^*)142和q轴电流命令(Iq^*)144，这将使马达120产生处于速度(ωr)138时的命令扭矩(Te^*)。特别地，扭矩至电流映射模块140使用这些输入将扭矩命令信号(Te^*)136映射为d轴电流命令信号(Id^*)142和q轴电流命令信号(Iq^*)144。同步参考系(reference frame)的d轴和q轴电流命令信号(Id^*，Iq^*)是具有恒定值的DC命令，所述恒定值作为时间的函数。

abcde至αβ转变模块127接收所测量到的从马达120反馈的五相静止参考系反馈定子电流(Ia…Ie)122-126。abcde至αβ转变模块127使用这些五相静止参考系反馈定子电流122-126，以执行abcde参考系至αβ参考系的转变，以将五相静止参考系反馈定子电流122-126转变为静止参考系反馈定子电流(Iα，Iβ)128、129。可使用任何已知的转变技术执行abcde至αβ转变，其中包括使用下文中的公式(1)中限定的矩阵。

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\\ I_0\end{array}\right]=\frac{2}{5}\left[\begin{array}{ccccc}1& \cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{5}\right)& \cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{5}\right)& \cos \left(\frac{6\mathrm{\π}}{5}\right)& \cos \left(\frac{8\mathrm{\π}}{5}\right)\\ 0& \sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{5}\right)& \sin \left(\frac{4\mathrm{\π}}{5}\right)& \sin \left(\frac{6\mathrm{\π}}{5}\right)& \sin \left(\frac{8\mathrm{\π}}{5}\right)\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\\ I_d\\ I_e\end{array}\right]---\left(1\right)$

在公式(1)中，表示五相静止参考系反馈定子电流122-126的列矢量乘以转变矩阵和缩放因子而生成表示静止参考系反馈定子电流(Iα，Iβ)128、129的列矢量。

静止至同步转变模块130接收静止参考系反馈定子电流(Iα，Iβ)128、129和转子角度位置(θr)121，并产生(例如处理或转换)这些静止参考系反馈定子电流(Iα，Iβ)128、129以产生同步参考系d轴电流信号(Id)132和同步参考系q轴电流信号(Iq)134。静止至同步转换过程在本领域中是公知的，并为了简要起见将不进行详细描述。

同步系电流调整器模块170接收：同步参考系d轴电流信号(Id)132、同步参考系q轴电流信号(Iq)134、d轴电流命令(Id^*)142、q轴电流命令(Iq^*)144，并使用这些信号产生同步参考系d轴电压命令信号(Vd^*)172和同步参考系q轴电压命令信号(Vq^*)174。同步参考系电压命令信号(Vd^*，Vq^*)172、174是具有恒定值的DC命令，所述恒定值是作为稳态操作的时间的函数。由于所述电流命令是同步参考系中的DC信号，因而其与AC静止参考系电流命令相比更易于调整。电流至电压转换过程可实现为比例积分(PI)控制器，这在本领域中是公知的，并为了简要起见将不进行详细描述。

过调制预处理器180接收同步参考系d轴电压命令信号(Vd^*)172和同步参考系q轴电压命令信号(Vq^*)174。如在下文中参照图3-9所示，过调制预处理器180处理这些电压命令信号172、174，以产生修正的同步参考系d轴电压命令信号(Vd^**)182和修正的同步参考系q轴电压命令信号(Vq^**)184。修正的电压命令信号(Vd^**，Vq^**)182、184被优化，从而使得由变换器模块110产生的输出电压信号可通过过调制而增大。由过调制预处理器180执行的处理将在下文中参照图3-8描述。

同步至静止转变模块102接收修正的电压命令信号(Vd^**，Vq^**)182、184作为输入，并接收转子位置输出(θr)121。响应于修正的电压命令信号(Vd^**，Vq^**)182、184和测量到的(或估计到的)转子位置输出(θr)121，同步至静止转变模块102执行dq至αβ转变以产生α轴静止参考系电压命令信号(Vα^*)104和β轴静止参考系电压命令信号(Vβ^*)105。静止参考系α轴和β轴电压命令信号(Vα^*，Vβ^*)104、105处于静止参考系中，并因而具有作为时间的函数以正弦波变化的值。同步至静止转换过程在本领域中是公知的，并为了简要起见将不进行详细描述。

αβ至abcde转变模块106接收静止参考系电压命令信号(Vα^*，Vβ^*)104、105，并基于这些信号产生静止参考系电压命令信号(Vas^*…Ves^*)107，静止参考系电压命令信号(Vas^*…Ves^*)107被发送到空间矢量(SV)脉宽调制(PWM)模块108。可使用任何已知的转变技术执行αβ至abcde转变，其中包括使用下文中的公式(2)中限定的矩阵。

$\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\\ V_c\\ V_d\\ V_e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{5}\right)& \sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{5}\right)& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{5}\right)& \sin \left(\frac{4\mathrm{\π}}{5}\right)& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos \left(\frac{6\mathrm{\π}}{5}\right)& \sin \left(\frac{6\mathrm{\π}}{5}\right)& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos \left(\frac{8\mathrm{\π}}{5}\right)& \sin \left(\frac{8\mathrm{\π}}{5}\right)& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\\ V_0\end{array}\right]---\left(2\right)$

在公式(2)中，表示静止参考系电压命令信号(Vα^*，Vβ^*)104、105的列矢量乘以转变矩阵和缩放因子而生成表示静止参考系电压命令信号(Vas^*…Ves^*)107的列矢量。

五相PWM变换器模块110联接到SVPWM模块108。SVPWM模块108用于控制信号107的脉宽调制(PWM)。SVPWM模块108接收静止参考系电压命令信号(Vas^*…Ves^*)107作为输入，并使用这些信号产生开关矢量信号(Sa…Se)109以提供到五相PWM变换器模块110。在SVPWM模块108中实施的具体SV调制算法可以是任何已知的调制算法。

开关矢量信号(Sa…Se)109控制PWM变换器110中的各开关的开关状态，以在每个相A、B、C、D、E处产生五相电压命令。五相PWM变换器模块110接收DC输入电压(Vdc)和开关矢量信号(Sa…Se)109，并使用它们在变换器电极处产生五相交流(AC)电压信号波形，从而以不同速度(ωr)驱动五相AC机120。

五相内部永磁体同步机120接收由PWM变换器110产生的五相电压信号，并产生以所命令扭矩Te^*136的马达输出。在这个具体实施方案中，电机120包括五相内部永磁体同步马达(IPMSM)120，但也可为任意五相AC机。

虽然未在图1中示出，不过系统100还可包括联接到五相AC机120的轴并由该轴驱动的齿轮。被测量的反馈定子电流(Ia-Ie)被传感、采样并提供到abcde至αβ转变模块127，如前所述。

电压开关矢量：

在108和变换器模块110处实施空间矢量脉宽调制(SVPWM)，以控制脉宽调制(PWM)，从而形成交流(AC)波形，所述交流(AC)波形基于DC输入139以不同速度驱动五相AC供能电机120。

图3A和图3B表示了状态空间电压开关矢量图，其中例示出用于在五相变换器模块110中驱动开关的三十二个“状态空间”电压开关矢量中的三十个(V1…V30)。图3C是总结出开关矢量(Sa…Se)109的开/关(0/1)状态的不同组合的表，其用于呈现图3A和图3B中所示每个电压开关矢量。如前所述，使用电压开关矢量控制PWM变换器110中各开关的开关状态以产生五相电压命令107。必须控制五相电压源变换器模块110，从而使得在同一变换器子模块115-119或“分支(leg)”中的两个开关在任何时候均不同时开启，以防止DC供应器短路。这样，在同一变换器子模块115-119中的开关被操作从而使得：当一个处于“关(off)”状态时另一个处于“开(on)”状态，或者相反。如图3A中所示并如图3C中总结的那样，这使得三十二个用于变换器100的可能电压开关矢量具有三十个激活电压开关矢量(V1至V30)和两个零电压开关矢量(V0和V31)。每个电压开关矢量(V0…V31)用于表示图2中的五相电压源变换器110的各开关的开关状态。换句话说，三十二个电压开关矢量(V0…V31)中的每个表示了五相电压源变换器110中的各开关的可能开关状态的不同组合。

为了进一步解释，在任意具体时间，在给定相(A…E)中，开关中的一个处于“关(off)”状态，而开关中的另一个处于“开(on)”状态(即，具体变换器子模块中的两个开关必须具有相反的开/关状态)。例如，作为关于相A的一个示例，当开关272处于“开(on)”状态时，开关274处于“关(off)”状态，或者相反。

这样，对于具体的变换器子模块而言，在变换器子模块中的两个开关的开/关状态可被表示为二进制1或二进制0。例如，当在给定相中的上开关处于“开(on)”状态(且下开关处于“关(off)”状态)时，位值(或比特值)将为壹(1)；当在给定相中的下开关处于“开(on)”状态(且上开关处于“关(off)”状态)时，位值将为零(0)。例如，作为关于相A的示例，当上开关272处于“开(on)”状态(且下开关274处于“关(off)”状态)时，第一位的值(从左到右)将为壹(1)。

相应地，在图3A中例示出每个激活电压开关矢量(V1…V30)，以及在此激活电压开关矢量旁边的在括号中示出了对应的五位二进制数字。在图3B中，每个电压开关矢量标识(V1…V30)具有的标识能够标识出与特定电压开关矢量相关的对应开关状态。第一位(从左到右)表示了对应相A的变换器子模块115的开关272、274的状态，第二位(从左到右)表示对应相B的变换器子模块116的开关276、278的状态，第三位(从左到右)表示对应相C的变换器子模块117的开关280、282的状态，如此等等。

这样，激活电压开关矢量(V1)表示以下情况：对于相A，上开关272处于“开(on)”状态(下开关274处于“关(off)”状态)时，第一位(从左到右)的值将为壹(1)；对于相B，上开关276处于“开(on)”状态(下开关278处于“关(off)”状态)时，第二位(从左到右)的值将为壹(1)；对于相C，上开关280处于“关(off)”状态(下开关282处于“开(on)”状态)时，第三位(从左到右)的值将为零(0)；对于相D，上开关284处于“关(off)”状态(下开关286处于“开(on)”状态)时，第四位(从左到右)的值将为零(0)；对于相E，上开关288处于“开(on)”状态(下开关290处于“关(off)”状态)时，第五位(从左到右)的值将为壹(1)。因此，激活电压开关矢量(V1)具有对应的开关状态位组合格式(11001)。换言之，由电压开关矢量(V1)表示的开关状态为(11001)，意味着相A、B、E为高，而相C、D为低。

零电压开关矢量(V0)表示以下开关情况：对于相A-E，所有上开关处于“关(off)”状态(所有下开关处于“开(on)”状态)。因此，零电压开关矢量(V0)具有对应的开关状态位组合格式(00000)，指示所有五相A-E中的所有上开关处于“关(off)”状态而所有五相A-E中的所有下开关处于“开(on)”状态。类似地，零电压开关矢量(V31)具有对应的开关状态位组合格式(11111)，指示了所有五相A-E中的所有上开关处于“开(on)”状态而所有五相A-E中的所有下开关处于“关(off)”状态。

如图3B中所示，电压开关矢量图包括十个(10)扇区，其中扇区序数(1…10)沿逆时针方向增大。每个扇区(1…10)限定在十个激活电压开关矢量(V1至V10)中的两个之间。这十个扇区用于基于操作状况来控制PWM变换器110中的各开关的开关，以控制马达120中的电流。图4是例示出十边形区域的示意图，所述十边形区域通过将十个被标准化为DC环节电压(DC link voltage)的大电压开关矢量与三个分立调制区域相接而形成。如图4中所示，仅采用十个大电压开关矢量(即，V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10)和零电压开关矢量(V0，V31)，以便对于给定DC环节电压使基本输出电压最大化。如将在下文中进一步所述，在每个PWM周期中，对于任意特定扇区的两个最邻近的激活电压开关矢量(即界定该扇区的激活电压开关矢量)和两个零电压开关矢量(V0，V31)用于对于相A…E分别产生被称为修正开关矢量信号(Sa…Se)109(图1)的PWM波形。开关矢量信号(Sa…Se)109被提供到图2中的五相电压源变换器110中的开关的栅极以控制这些开关的开关。

而且，如在图3A、图3B和图4中所示，当十个大电压开关矢量(即，V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10)通过直线相接时，这就形成十边形区域310。

图4进一步例示出了十边形区域310限定三个分立的调制区域410、420、430(通过圆圈指示)，其将在下文中被称为线性调制区域410、第一过调制区域420和第二过调制区域430。类似的调制区域被限定在两个大电压开关矢量的任意组合中。每个调制区域410、420、430将在下文中参照图5A更详细描述，图5A例示出扇区序数1-3的放大图。

图5A是图4的扇区序数1-3的放大图，其中更详细地例示出调制区域410、420、430。此外，图5A还例示出：具有量值(Vr)540和角度(α)542的参考电压矢量，用于线性调制区域410的线性区域电压阈值(Vlin)550，用于第一过调制区域420的第一电压阈值(VI)560，用于第二过调制区域430的第二电压阈值(VII)570，和开关矢量V1、(302)、V2(304)、V3(306)。图5B是图5A的调制区域410、420、430的更详细的放大图，并显示出在在十边形区域310与线性调制区域410、第一过调制区域420、第二过调制区域430之间的相交点422、432、434、436、438。

PWM的性能可通过调制指数(MI)表征，调制指数(MI)可被限定为标准化的基本参考电压。在此使用的“调制指数(MI)”是峰值基本相电压(Vr)与最大可用电压的比率。MI可通过公式

限定，其中，

且Vd和Vq是由电流控制器170输出的d轴电压命令信号(Vd^*)172和q轴电压命令信号(Vq^*)174。调制实施的范围从0至1。

在处于V1与V2之间的第一扇区(扇区1)中，参考电压矢量的量值(Vr)可在如下公式(3)中那样被表示为时间的函数：

V_rT_pwm＝V₁t₁+V₂t₂+V₀(T_pwm-t₁-t₂)   (3)

其中，V1是具有对应开关状态位组合格式(11001)的大电压开关矢量(V1)，V2是具有对应开关状态位组合格式(11000)的大电压开关矢量(V2)，V0是具有对应开关状态位组合格式(00000)的零电压开关矢量(V0)。时间(t1)是大电压开关矢量(V1)用于产生参考电压矢量的持续时间，时间(t2)是大电压开关矢量(V2)用于产生参考电压矢量的持续时间，时段(T_pwm)是基本脉宽调制时段。时段T_pwm-t₁-t₂是零电压开关矢量(V0)用于产生参考电压矢量的持续时间。这些时间将在下文中针对于每个调制区域更详细描述。

大电压开关矢量(V1)具有的量值可在如下公式(4)中被表示为DC环节电压(Vdc)的函数：

$V_1=(\frac{1}{5}+\frac{1}{\sqrt{5}})V_{\mathrm{dc}}---\left(4\right)$

大电压开关矢量(V2)可在如下公式(5)中被表示为大电压开关矢量(V1)的函数：

$V_2=V_1{e}^{j\frac{\mathrm{\π}}{5}}---\left(5\right)$

用于线性调制区域410的线性区域电压阈值(Vlin)550具有的量值可在如下公式(6)中被表示为大电压开关矢量(V1)和DC环节电压(Vdc)的函数：

$V_{\mathrm{lin}}=V_1\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{10}\right)=\frac{\sqrt{5+2\sqrt{5}}}{5}{V}_{\mathrm{dc}}---\left(6\right)$

用于第一过调制区域420的第一电压阈值(VI)560具有的量值可在如下公式(7)中被表示为DC环节电压(Vdc)的函数：

$V_I=\frac{\sqrt{5+2\sqrt{5}}}{\mathrm{\π}}\ln \left(\frac{2+\sqrt{5}}{\sqrt{5}}\right)V_{\mathrm{dc}}---\left(7\right)$

用于第二过调制区域430的第二电压阈值(VII)570具有的量值可在如下公式(8)中被表示为DC环节电压(Vdc)的函数：

$V_{\mathrm{II}}=\frac{2}{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{dc}}---\left(8\right)$

在五相系统中，三个重要调制区域410、420、430可按照其调制指数被限定。各区域被限定为线性调制区域410、第一过调制区域420和第二过调制区域430。在线性调制区域410中，调制指数的范围在零与0.9669之间，如在如下公式(9)中所述：

$\mathrm{MI}\∈[0,\frac{\mathrm{\π}\sqrt{5+2\sqrt{5}}}{10}]=\left[\mathrm{0,0.9669}\right]---\left(9\right)$

在第一过调制区域420中，调制指数的范围在0.9669与0.98322之间，如在如下公式(10)中所述：

$\mathrm{MI}\∈\frac{\mathrm{\π}\sqrt{5+2\sqrt{5}}}{10}[1,\frac{5}{\mathrm{\π}}\ln \left(\frac{2+\sqrt{5}}{\sqrt{5}}\right)=[\mathrm{0.9669,0.9832}]---\left(10\right)$

在第二过调制区域430中，调制指数的范围在0.98322与1.0000之间，如在如下公式(11)中所述：

MI∈[0.9832，1]          (11)

五相机的过调制

在标识出三个重要调制区域410、420、430之后，现在将描述用于过调制的方法、系统和设备。

根据所公开实施例，所提供的方法、系统和设备用于利用过调制而增大由变换器模块110产生的输出电压。简而言之，过调制用于优化对五相PWM受控的变换器模块110进行控制的电压命令182、184，以增大被提供到五相机120的变换器输出电压。通过利用过调制增大变换器输出电压，由五相机120产生的最大可用机械扭矩可改进/增大，这进而可改进/增大机器效率和改进五相机的动态性能。而且，这还可增大调制指数(MI)，以允许改进对电池电压(V0dc)的利用。根据一些实施例的用于过调制的方法、系统和设备将在下文中参照图6-8描述。

图6是例示出根据一些所公开实施例的用于过调制参考电压矢量(Vr，α)的方法600的流程图，所述参考电压矢量表示用于控制五相变换器模块110电压命令182、184，所述五相变换器模块驱动五相系统中的五相AC机。过调制使用于控制五相变换器模块110的电压命令182、184优化，以增大由五相变换器模块110产生的电压信号。方法600的各步骤可通过图1的过调制预处理器180执行。

方法600始于步骤610，其中过调制预处理器180从电流调整器170接收同步参考系d轴和q轴电压命令信号(Vd^*，Vq^*)172、174。过调制预处理器180使用电压命令信号(Vd^*，Vq^*)172、174以确定参考电压矢量的量值(Vr)540和角度(α)542。在一个实施例中，参考电压矢量的量值(Vr)540可使用公式(12)计算，而参考电压矢量的角度(α)542可使用公式(13)计算，如下所示：

$V_r=\sqrt{V_d^2+V_q^2}---\left(12\right)$

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{V_q}{V_d}\right)---\left(13\right)$

在步骤620，过调制预处理器180确定参考电压矢量的量值(Vr)540是否小于或等于线性调制区域410所用的电压阈值(Vlin)550。由此，过调制预处理器180可确定参考电压矢量是否处于线性调制区域410内。

线性调制区域

当确定参考电压矢量的量值(Vr)540小于或等于线性调制区域410的电压阈值(Vlin)550时，这意味着参考电压矢量处于线性调制区域410内，从而不需要实施过调制。这样，参考电压矢量的量值(Vr)540和角度(α)542不需要修正并保持不变，方法600进行到步骤640，其中过调制预处理器180将修正量值(Vr^*)602的值设定为等于参考电压矢量的量值(Vr)540并将修正角度(α^*)604的值设定为等于参考电压矢量的角度(α)542。然后，所述方法进行到步骤670，如下所述。

非线性调制区域

当过调制预处理器180确定参考电压矢量的量值(Vr)540大于线性区域电压阈值(Vlin)550时，这意味着参考电压矢量处于线性调制区域410外。这样，方法600进行到步骤630，使得过调制预处理器180：能够通过确定参考电压矢量的量值(Vr)540是否小于或等于第一过调制区域420的第一电压阈值(VI)560，从而确定参考电压矢量是处于第一过调制区域420之内，还是处于第二过调制区域430之内。

第一过调制区域

如前所述，在第一过调制区域420中，调制指数的范围在0.9669与0.98322之间。如将在下文中更详细所述，当确定参考电压矢量处于第一过调制区域420中时，参考电压矢量的量值(Vr)540被修正，而参考电压矢量的角度(α)542不变。

为了参照图5A进一步解释，在第一过调制区域420中，无论在何时操作状况要求参考电压矢量的量值(Vr)540应超过或者“延伸过”十边形区域310的边界时，实际电压开关矢量将被限制在十边形区域310。换句话说，参考电压矢量的量值(Vr)540当到达线性区域电压阈值(Vlin)550之后开始增大时，其遭遇到在特定扇区1的角部附近由十边形区域310强加的不能超过的限制。

这样，在步骤650，参考电压矢量的量值(Vr)540通过乘以用于第一过调制区域420的校正因子系数k(MI)710(其为大于1的值)而被修正。

根据所公开的实施例，开关时间可根据在如下公式(14)中所指的时间间隔t₀、t₁、t₂而实现：

$t_1=T_{\mathrm{pwm}}\frac{2\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{5}\right)\sin (\frac{\mathrm{\π}}{5}n-\mathrm{\α})}{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{5}(3-n)+\mathrm{\α})};$

$t_2=T_{\mathrm{pwm}}\frac{2\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{5}\right)\sin (\mathrm{\α}-(n-1)\frac{\mathrm{\π}}{5})}{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{5}(3-n)+\mathrm{\α})};---\left(14\right)$

t₀＝0

其中，T_pwm是脉宽调制时段(T_pwm)，n是扇区序数，α是参考电压矢量的角度(α)542。

这样，对于任意角度α，将参考电压矢量的量值(Vr)乘以用于第一过调制区域420的校正因子系数k(MI)710，这是因为当t₀变为负值时将达到十边形区域310的限制，然后根据公式(14)修正计算值。

当参考电压矢量的量值(Vr)进入十边形区域310时，则根据时间间隔(t₀，t₁，t₂)应用开关方法，如在以下公式(15)中所示：

$t_1=k\left(\mathrm{MI}\right)\mathrm{MI}\frac{\mathrm{\π}{T}_{\mathrm{pwm}}}{5}\frac{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{5}n-\mathrm{\α})}{{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{5}\right)};$

$t_2=k\left(\mathrm{MI}\right)\mathrm{MI}\frac{\mathrm{\π}{T}_{\mathrm{pwm}}}{5}\frac{\sin (\mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\π}}{5}(n-1))}{{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{5}\right)};---\left(15\right)$

t₀＝T_pwm-t₁-t₂

其中，k(MI)是校正因子系数k(MI)710，且其为调制指数的函数。校正因子系数k(MI)710仅用于第一过调制区域420中，以调节参考电压矢量的量值(Vr)，并使变换器输出电压的基本分量与其命令值相等。换句话说，当参考电压矢量的量值(Vr)接近扇区角部时，t₀再次变为正值，并采用公式(BB)，这是因为可实现正的t₀，直到达到用于第一过调制区域420的第一电压阈值(VI)560。超出第一过调制区域420之外直到第二过调制区域430，不再存在t₀。

这样，当确定参考电压矢量处于第一过调制区域420内时，过调制预处理器180修正参考电压矢量的量值并保持参考电压矢量的角度(α)542。这样，当过调制预处理器180确定(在步骤630中)参考电压矢量的量值(Vr)540被确定为小于或等于用于第一过调制区域420的第一电压阈值(VI)560时(即，参考电压矢量处于第一过调制区域420内)，方法600进行到步骤650。

在步骤650，基于参考电压矢量的量值(Vr)540与校正因子系数k(MI)710的乘积，过调制预处理器180计算出参考电压矢量的修正量值(Vr^*)602，并且将修正角度(α^*)604设定为等于参考电压矢量的角度(α)542。图7的图线描绘出根据一些所公开实施例的用于第一过调制区域420的校正因子系数k(MI)710，其作为调制指数(MI)的函数。如图7中所示，在第一过调制区域420中，MI的范围约在0.9669与0.9832之间。这样，校正因子系数k(MI)710始于值壹(1)(当MI为0.9669时)并增大至约1.03402的值(当MI约为0.9832时)，这种解决方案中采用公式(16)：

$\frac{10}{\mathrm{\π}}{V}_{I}k\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{lin}}}{V_{I}k}\right)+\frac{10V_{\mathrm{lin}}}{\mathrm{\π}}\ln \left(\frac{V_{I}k+\sqrt{{\left(V_{I}k\right)}^2-V_{\mathrm{lin}}^2}}{V_{\mathrm{lin}}}\right)-V_I(1+4k)=0$

其中

$V_I=\frac{\sqrt{5+2\sqrt{5}}}{\mathrm{\π}}\ln \left(\frac{2+\sqrt{5}}{\sqrt{5}}\right)=0.625919---\left(16\right)$

$V_{\mathrm{lin}}=\frac{\sqrt{5+2\sqrt{5}}}{5}=0.615537$

在步骤650的一个实施例中，参考电压矢量的修正量值(Vr^*)602可使用如下公式(17)计算：

$V_r^{*}=V_r\·k\left(\mathrm{MI}\right)---\left(17\right)$

然后，所述方法进行到步骤670，这将在下文中描述。

第二过调制区域

当过调制预处理器180确定(在步骤630)参考电压矢量的量值(Vr)540大于用于第一过调制区域420的第一电压阈值(VI)560时，这意味着参考电压矢量处于第二过调制区域430内，方法600进行到步骤660。

在第二过调制区域430中，参考电压矢量的量值(Vr)540和角度(α)542均被修正。特别地，参考电压矢量的量值(Vr)540逐渐从连续的十边形区域310逐渐变化到离散的十步开关序列(ten-step switching sequence)。十步开关序列通过将特定的状态空间矢量保持以基本时段(T_pwm)的十分之一(1/10)而限定。从“壹(unity)”减小调制指数，使特定状态空间矢量保持以等同于保持角度(α_h(MI))的时间，如在以下公式(18)中所示：

${\mathrm{\α}}_h\left(\mathrm{MI}\right)\∈[0,\frac{\mathrm{\π}}{10}]---\left(18\right)$

其中，保持角度(α_h(MI))是调制指数的函数。图8的图线描绘出根据一些所公开实施例的用于第二过调制区域430的保持角度α_h(MI)810(度)，其作为调制指数(MI)的函数。在第二过调制区域430中，MI的范围约为0.9832至1.0。保持角度α_h(MI)810(度)始于零度值(当MI为0.9832时)并增大到约为18度的值(当MI约为1.0时)。此保持角度(α_h(MI))在第一过调制区域420的边界上为零。参考电压矢量通过适合计算出的开关时间而遵从十边形区域310的形状。

在步骤660的一个实施方案中，过调制预处理器180使用如下公式(19)计算参考电压矢量的修正量值(Vr^*)602和修正角度(α^*)604：

$[V_r^{*},{\mathrm{\&alpha;}}^{*}]=\left\{\begin{array}{cc}[V_n,(n-1)\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}],& (n-1)\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}\&le;\mathrm{\&alpha;}<(n-1)\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}+{\mathrm{\&alpha;}}_h\\ [\frac{V_{\mathrm{lin}}}{\sin \left(\frac{5\mathrm{\&alpha;}-25{\mathrm{\&alpha;}}_h+(3-n)\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&pi;}-10{\mathrm{\&alpha;}}_h}\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}\right)},\frac{\mathrm{\&alpha;}-(2n-1){\mathrm{\&alpha;}}_h}{\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}-2{\mathrm{\&alpha;}}_h}\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}],& (n-1)\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}+{\mathrm{\&alpha;}}_h\&le;\mathrm{\&alpha;}\&le;n\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}-{\mathrm{\&alpha;}}_h\\ [V_{n+1},n\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}],& n\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}-{\mathrm{\&alpha;}}_h<\mathrm{\&alpha;}<n\frac{\mathrm{\&pi;}}{5}\end{array}\right.---\left(19\right)$

其中，n表示扇区序数(n)，α_h表示保持角度α_h(MI)810。如公式(19)中所示，参考电压矢量的修正量值(Vr^*)602和修正角度(α^*)604基于扇区序数(n)和保持角度α_h(MI)810而变化。每个扇区n可被分为由参考角度α的值限定的三个区域。在第一区域中，其中α从起始扇区边界变大至α_h，则修正量值(Vr^*)602和修正角度(α^*)604获得了限定起始扇区边界的开关矢量的量值和角度值。在第三区域中，当α在扇区终止边界与角度为α_h的前述边界之间变化时，则修正量值(Vr^*)602和修正角度(α^*)604获得限定终止扇区边界的开关矢量的量值和角度值。在处于第一区域与第三区域之间的第二区域中，修正量值(Vr^*)602作为修正角度(α^*)604的函数而获得对应于十边形边界310的值，修正角度(α^*)比参考角度α具有更高的角速度。

基于修正参考电压矢量计算修正同步参考系电压命令信号

再次参见图6，在步骤640、650或660之后，方法600然后进行到步骤670，其中，基于在步骤640、650或660中已确定的参考电压矢量的修正量值(Vr^*)602和修正角度(α^*)604，过调制预处理器180计算修正同步参考系d轴电压命令信号(Vd^**)182和修正同步参考系q轴电压命令信号(Vq^**)184。在一个实施例中，修正同步参考系d轴电压命令信号(Vd^**)182可使用公式(20)计算，修正同步参考系q轴电压命令信号(Vq^**)184可使用公式(21)计算，如下所示：

$V_d^{**}=V_r^{**}\cos \left({\mathrm{\&alpha;}}^{*}\right)---\left(20\right)$

$V_q^{**}=V_r^{**}\sin \left({\mathrm{\&alpha;}}^{*}\right)---\left(21\right)$

本领域技术人员将进一步认识到，结合在此公开的实施例所描述的各种示例性的逻辑块、模块、电路、和算法步骤可被实现为电子硬件、电脑软件、或二者的组合。一些实施例和实施方案在前文中根据功能和/或逻辑块部件(或模块)和各种处理步骤而描述。不过，应认识到，这样的块部件(或模块)可通过被构造以执行专门功能的任意数量的硬件、软件、和/或固件部件而实现。

为了清楚例示出这种硬件和软件的互换性，各种示例性的部件、块、模块、电路和步骤已经在前文中基本按照其功能性进行了描述。这种功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和在整个系统上被施加的设计限制。本领域技术人员可将所述功能性以各种方式实施于每个具体应用，但这样的实施结果应被认为不会导致其偏离本发明的范围。例如，系统或部件的实施例可采用各种集成电路部件，例如为可在一个或多个微处理器或其它控制装置的控制下执行各种功能的存储元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查询表、或类似物。此外，本领域技术人员应认识到，在此所述的实施例仅为示例性实施方案。

结合在此公开的各实施例所描述的各种示例性的逻辑块、模块、和电路可通过被设计以执行在此所述功能的以下装置而实现或执行：通用目的处理器、数字信号处理器(DSP)、特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或其它可编程的逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑器件、分立的硬件部件、或它们的任意组合。通用目的处理器可为微处理器，但在可替代方案中，处理器可为任意传统的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器也可被实现为计算装置的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP核相结合、或者任意其它这样的构造。

结合在此公开的实施例所描述的方法或算法的各步骤可直接实现在硬件中、由处理器执行的软件模块中、或二者的组合中。软件模块可驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可擦除盘、CD-ROM、或在现有技术中已知的任何其它形式的存储介质中。示例性的存储介质联接到处理器，使得处理器可从存储介质中读取信息并可将信息写到存储介质中。在可替代方案中，存储介质可集成到处理器。处理器和存储介质可安置在ASIC中。ASIC可安置用户端中。在可替代方案中，处理器和存储介质可作为分立的部件安置在用户端中。

在此文献中，相关术语，例如第一和第二以及类似物，可仅用于使一个实体或动作区别于另一实体或动作，而不必要求或暗示在这样的实体或动作之间实际存在任何这样的关系。数字顺序，例如“第一”、“第二”、“第三”，等等，仅表示多个中的不同个体，而不暗示任何顺序或次序，除非由权利要求在表述上专门限定。任意权利要求中的文字的次序不暗示处理步骤必须根据这样的次序以时间的或逻辑的顺序执行，除非由权利要求在表述上专门限定。在不背离本发明的范围的情况下，各处理步骤可按照任意顺序互换，只要这样的互换不与权利要求表述相冲突而且没有逻辑错误即可。

而且，根据应用环境，在描述不同元件之间关系时所用的措辞，例如“连接”或“联接到”，不暗示在这些元件之间必须实现直接的物理连接。例如，两个元件可通过物理方式、电子方式、逻辑方式、或以任何其它方式通过一个或多个额外元件而相互连接。

虽然在前文中的详细描述中已经表示出至少一个示例性实施例，不过应认识到，存在大量的变例。还应认识到，一个或多个示例性实施例仅为示例，而不是用于以任何方式限制本发明的范围、应用性、或构造。而实际上，前文中的详细描述将为本领域技术人员提供便利途径以实施一个或多个示例性实施例。应理解，在不背离由所附权利要求书及其法律等同物所限定的本发明范围的情况下，可对各元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种用于过调制参考电压矢量的方法，用于优化对五相变换器模块进行控制的电压命令信号，以增大由所述五相变换器模块所产生的输出电压，所述方法包括：

基于所述电压命令信号，确定所述参考电压矢量的量值和角度；

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于阈值；和

当确定所述参考电压矢量的量值小于或等于阈值时，基于所述参考电压矢量的量值和所述参考电压矢量的角度，产生所述参考电压矢量的修正量值和修正角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于阈值的步骤包括：

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于线性调制区域的线性区域电压阈值，以确定所述参考电压矢量是否处于所述线性调制区域内。

3.根据权利要求2所述的方法，当确定所述参考电压矢量的量值大于所述线性调制区域的所述线性区域电压阈值时，进一步包括以下步骤：

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于第一过调制区域的第一电压阈值，以确定所述参考电压矢量是处于所述第一过调制区域内，还是处于第二过调制区域内。

4.根据权利要求3所述的方法，当确定所述参考电压矢量的量值小于或等于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值，并且确定所述参考电压矢量处于所述第一过调制区域内时，所述产生所述参考电压矢量的修正量值和修正角度α^*的步骤包括：

基于所述参考电压矢量的量值和校正因子系数产生所述参考电压矢量的修正量值，并产生与所述参考电压矢量的角度相等的所述参考电压矢量的修正角度。

5.根据权利要求3所述的方法，当确定所述参考电压矢量的量值大于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值，并且确定所述参考电压矢量处于所述第二过调制区域内时，所述产生所述参考电压矢量的修正量值和修正角度α^*的步骤包括：

基于作为调制指数函数的保持角度产生基于扇区序数n变化的所述参考电压矢量的修正量值，并产生与所述参考电压矢量的角度不同且基于所述扇区序数n变化的所述参考电压矢量的修正角度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述基于作为调制指数函数的保持角度产生基于扇区序数n变化的所述参考电压矢量的修正量值，并产生与所述参考电压矢量的角度不同且基于所述扇区序数n变化的所述参考电压矢量的修正角度的步骤包括：

当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第一角度范围内时，基于第一激活电压开关矢量产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述扇区序数产生所述参考电压矢量的修正角度；

当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第二角度范围内时，基于所述线性区域电压阈值、所述参考电压矢量的角度、所述扇区序数n和作为调制指数的函数的所述保持角度来产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述参考电压矢量的角度、所述扇区序数n和所述保持角度来产生所述参考电压矢量的修正角度；和

当所述参考电压矢量的角度处于所述扇区的第三角度范围内时，基于第二激活电压开关矢量产生所述参考电压矢量的修正量值，并基于所述扇区序数n产生所述参考电压矢量的修正角度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于电压命令信号，确定所述参考电压矢量的量值和角度的步骤包括：

基于同步参考系d轴电压命令信号和同步参考系q轴电压命令信号，确定所述参考电压矢量的量值和角度。

8.一种五相系统，包括：

五相变换器模块，其基于控制所述五相变换器模块的电压命令信号而产生输出电压；

五相机，其通过由所述五相变换器模块产生的所述输出电压来驱动；和

过调制处理器，其被设计为过调制参考电压矢量以优化所述电压命令信号，从而增大由所述五相变换器模块所产生的所述输出电压。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述过调制处理器被设计为：

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于阈值；和

当确定所述参考电压矢量的量值小于或等于阈值时，基于所述参考电压矢量的量值和所述参考电压矢量的角度，产生所述参考电压矢量的修正量值和修正角度。

10.一种用于过调制参考电压矢量的方法，用于优化对五相变换器模块进行控制的电压命令信号，以增大由所述五相变换器模块所产生的输出电压，所述方法包括：

基于同步参考系电压命令信号，确定所述参考电压矢量的量值和角度；

确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于线性调制区域的线性区域电压阈值，以确定所述参考电压矢量是否处于所述线性调制区域内；

当确定所述参考电压矢量的量值小于或等于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值且确定所述参考电压矢量处于所述第一过调制区域内时，基于所述参考电压矢量的量值和校正因子系数产生所述参考电压矢量的修正量值，并产生与所述参考电压矢量的角度相等的所述参考电压矢量的修正角度；

当确定所述参考电压矢量的量值大于所述线性调制区域的所述线性区域电压阈值时，确定所述参考电压矢量的量值是否小于或等于第一过调制区域的第一电压阈值，以确定所述参考电压矢量是处于所述第一过调制区域内，还是处于第二过调制区域内；和

当确定所述参考电压矢量的量值大于所述第一过调制区域的所述第一电压阈值且确定所述参考电压矢量处于所述第二过调制区域内时，产生所述参考电压矢量的修正量值和所述参考电压矢量的修正角度，所述参考电压矢量的修正角度与所述参考电压矢量的角度不同。

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