CN102201776B - 用于操作电动马达的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于操作电动马达的方法和系统。具体地，提供了用于操作具有多个绕组的电动马达的方法和系统，其中变换器具有耦联至电压源的多个开关。向多个开关施加第一多个开关矢量。第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率。在向多个开关施加第一多个开关矢量的期间，监测与电压源相关的直流DC电流。基于对与电压源相关的DC电流的监测来选择第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率。向多个开关施加第二多个开关矢量。第二多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率。

Description

用于操作电动马达的方法和系统
关于联邦政府资助研究或开发的声明
本发明在由美国能源部授予的协议No.DE-FC26-07NT43123下利用政府支持实现。政府在本发明中享有某些权利。
技术领域
本发明大体上涉及电动马达。更具体地，本发明涉及用于操作电动马达的方法和系统，例如用在机动车辆的推进系统中的高相电动马达。
背景技术
近年来，技术的进步、以及在风格品味中的不断演变已在机动车辆设计中导致了实质性的变化。这些变化之一包括机动车辆内的电气系统的复杂程度，尤其是诸如混合动力车和蓄电池电动车之类的利用了电压供给部的替代性燃料（或推进）车辆。这样的替代性燃料车辆通常使用一个或多个电动马达，这些电动马达常常由与另一致动器结合的电池提供动力，以驱动车轮。
这样的车辆常常使用诸如蓄电池和燃料电池之类的两个单独的电压源，以给驱动车轮的电动马达提供功率。通常将诸如直流至直流（DC/DC）转换器之类的功率电子装置（或功率电子系统）用于管理和传输来自两个电压源的功率。此外，由于替代性燃料机动车辆通常包括直流（DC）功率供应的事实，还提供了直流至交流（DC/AC）变换器（或功率变换器），以将DC功率转变成交流（AC）功率。
迄今为止，大部分机动车辆推进系统都利用三相系统。然而，近来已研制出更高相数（例如五相）的系统，其相对于较低相数（例如三相）的系统提供了较低的扭矩波动、改善的功率和扭矩、增强的故障容许度。随着对替代性燃料车辆中电气系统的功率需求持续增大，所以存在不断增强的、使这样的系统的电效率最大化的需求。还存在持续的减小电气系统内的部件尺寸的期望，以便使车辆的总成本和重量最小化。
因此，期望提供一种用于对电动马达、尤其是对供机动车辆电气系统里使用的高相数电动马达进行操作的改善的方法和系统。此外，结合附图和前述的技术领域及背景技术，本发明其他令人期望的特征和特性将通过随后的详细说明和所附权利要求而变得明显。
发明内容
提供了一种用于操作具有多个绕组的电动马达的方法，其中变换器具有耦联至电压源的多个开关。向多个开关施加第一多个开关矢量。第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率。在向多个开关施加第一多个开关矢量的期间，监测与电压源相关的直流（DC）电流。基于对与电压源相关的DC电流的监测来选择第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率。向多个开关施加第二多个开关矢量。第二多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率。
提供了一种机动车辆电气系统。该机动车辆电气系统包括：电动马达，其具有至少五个绕组；变换器，其具有多个耦联到至少五个绕组的多个开关；电压源，其耦联至多个开关；电流传感器，其耦联至电压源，并构造成检测与电压源相关的DC电流和产生表示该DC电流的信号；以及处理器，其与多个开关和电流传感器可操作地连通（或通信）。该处理器构造成：向多个开关施加第一多个开关矢量，所述第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率；基于与电压源相关的DC电流来选择第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率；以及向多个开关施加第二多个开关矢量，所述第二多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率。
提供了一种机动车辆推进系统。该机动车辆电气系统包括：电动马达，其包括至少五个绕组；DC电压供应部；直流至交流（DC/AC）功率变换器，其包括耦联到至少五个绕组和DC电压供应部的至少五对功率开关器件；以及处理器，其与电动马达、DC电压供应部和DC/AC功率变换器可操作地连通。该处理器构造成：向至少五对功率开关器件施加第一多个开关矢量，所述第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率；基于与DC电压供应部相关的DC电流来选择第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率；以及向至少五对功率开关器件施加第二多个开关矢量，所述第二多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率。
本发明还包括以下方案：
方案1. 一种用于操作具有多个绕组的电动马达的方法，其中变换器具有耦联至电压源的多个开关，所述方法包括：
向所述多个开关施加第一多个开关矢量，所述第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率；
在向所述多个开关施加所述第一多个开关矢量的期间，监测与所述电压源相关的直流DC电流；
基于对与所述电压源相关的DC电流的监测来选择所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的第二比率；以及
向所述多个开关施加第二多个开关矢量，所述第二多个开关矢量包括所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率。
方案2. 根据方案1所述的方法，其中，施加所述第一多个开关矢量中的每一个和施加所述第二多个开关矢量中的每一个包括：
激活所述多个开关中的第一部分；以及
停用所述多个开关中的第二部分。
方案3. 根据方案2所述的方法，其中，施加所述第一幅度的开关矢量中的每一个使得在所述多个绕组中的至少一个绕组上施加第一电压，施加所述第二幅度的开关矢量中的每一个使得在所述多个绕组中的至少一个绕组上施加第二电压，并且所述第一电压大于所述第二电压。
方案4. 根据方案3所述的方法，其中，所述第一多个开关矢量对应于在参考坐标系的静止系上的第一多个电压矢量，而所述多个第二开关矢量对应于在参考坐标系的所述静止系上的第二多个电压矢量。
方案5. 根据方案4所述的方法，其中，所述变换器构造成向所述多个开关施加第三幅度的开关矢量，所述第三幅度的开关矢量对应于在所述多个绕组中的至少一个绕组上施加的第三电压，并且其中所述第三电压小于所述第二电压。
方案6. 根据方案5所述的方法，其中，所述第一多个开关矢量不包括任何所述第三幅度的开关矢量，并且其中所述第二多个开关矢量不包括任何所述第三幅度的开关矢量。
方案7. 根据方案1所述的方法，其中，所述变换器至少为五相变换器。
方案8. 根据方案2所述的方法，还包括：
在向所述多个开关施加所述第二多个开关矢量期间，监测与所述电压源相关的DC电流；
基于在向所述多个开关施加所述第二多个开关矢量期间对与所述电压源相关的DC电流的监测，选择所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的第三比率；以及
向所述多个开关施加第三多个开关矢量，所述第三多个开关矢量包括所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第三比率。
方案9. 根据方案8所述的方法，其中，在向所述多个开关施加所述第一多个开关矢量的期间监测与所述电压源相关的DC电流包括监测DC电流波动，并且在向所述多个开关施加所述第二多个开关矢量的期间监测与所述电压源相关的DC电流包括监测所述DC电流波动。
方案10. 根据方案1所述的方法，其中，所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率近似为3:1。
方案11. 一种机动车辆电气系统，包括：
电动马达，所述电动马达包括至少五个绕组；
变换器，所述变换器包括耦联至所述至少五个绕组的多个开关；
电压源，所述电压源耦联至所述多个开关；
电流传感器，所述电流传感器耦联至所述电压源，并构造成检测与所述电压源相关的直流DC电流和产生表示所述DC电流的信号；以及
处理器，所述处理器与所述多个开关和所述电流传感器可操作地连通，所述处理器构造成：
         向所述多个开关施加第一多个开关矢量，所述第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率；
         基于与所述电压源相关的DC电流来选择所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的第二比率；以及
         向所述多个开关施加第二多个开关矢量，所述第二多个开关矢量包括所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率。
方案12. 根据方案11所述的机动车辆电气系统，其中，所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率近似为3:1。
方案13. 根据方案12所述的机动车辆电气系统，其中，所述处理器构造成使得施加所述第一多个开关矢量中的每一个和施加所述第二多个开关矢量中的每一个包括：
激活所述多个开关中的第一部分；以及
停用所述多个开关中的第二部分。
方案14. 根据方案13所述的机动车辆电气系统，其中，施加所述第一幅度的开关矢量中的每一个使得在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加第一电压，施加所述第二幅度的开关矢量中的每一个使得在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加第二电压，并且所述第一电压大于所述第二电压。
方案15. 根据方案14所述的机动车辆电气系统，其中，所述变换器构造成向所述多个开关施加第三幅度的开关矢量，所述第三幅度的开关矢量对应于在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加的第三电压，并且其中所述第三电压小于所述第二电压。
方案16. 一种机动车辆推进系统，包括：
电动马达，所述电动马达包括至少五个绕组；
直流DC电压供应部；
直流至交流DC/AC功率变换器，所述直流至交流DC/AC功率变换器包括耦联至所述至少五个绕组和所述DC电压供应部的至少五对功率开关器件；以及
处理器，所述处理器与所述电动马达、所述DC电压供应部和所述DC/AC功率变换器可操作地连通，所述处理器构造成：
         向所述至少五对功率开关器件施加第一多个开关矢量，所述第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率；
         基于与所述DC电压供应部相关的DC电流来选择所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的第二比率；以及
         向所述至少五对功率开关器件施加第二多个开关矢量，所述第二多个开关矢量包括所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率。
方案17. 根据方案16所述的机动车辆推进系统，其中，所述第一多个开关矢量对应于参考坐标系的静止系上的第一多个电压矢量，而所述多个第二开关矢量对应于参考坐标系的所述静止系上的第二多个电压矢量。
方案18. 根据方案17所述的机动车辆推进系统，其中，施加所述第一幅度的开关矢量中的每一个使得在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加第一电压，施加所述第二幅度的开关矢量中的每一个使得在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加第二电压，并且所述第一电压大于所述第二电压。
方案19. 根据方案18所述的机动车辆推进系统，其中，所述变换器构造成向所述至少五对功率开关器件施加第三幅度的开关矢量，所述第三幅度的开关矢量对应于在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加的第三电压，并且其中所述第三电压小于所述第二电压。
方案20. 根据方案19所述的机动车辆推进系统，其中，所述处理器构造成使得所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率近似为3:1。
附图说明
在下文中将结合所附的附图来描述本发明，附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且：
图1是示例性机动车辆的示意图；
图2是图1的机动车辆内的变换器控制系统的框图；
图3是图1的机动车辆内的功率变换器、电压供应部和电动马达的示意图；
图4图示了参考坐标系的静止系，其图示了用于控制具有五相的电动马达和变换器的方法；
图5图示了图4的参考坐标系的静止系的一个扇区；
图6是根据实施例的、用于操作电动马达的方法和/或系统的框图；以及
图7是图6的方法和/或系统内的电流波动调整器的框图。
具体实施方式
以下的详细描述在本质上仅是示例性的，并且不意图用于限制本发明或其应用、以及本发明的使用。此外，本发明并不意图受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下的详细描述中提出的任何明确的或暗示的理论的束缚。另外，尽管在此示出的示意图描绘了元件的示例布置，但在实际的实施例中可存在另外的介入（或居间）元件、器件、特征、或部件。还应理解的是，图1-7仅是说明性的，并且可以不按比例绘制。
以下的说明涉及“连接”或“耦联”到一起的元件或特征。如在此所使用的，“连接”可指一个元件/特征被机械地结合至另一元件/特征（或与另一元件/特征直接连通），并且不一定是直接地。同样地，“耦联”可指一个元件/特征被直接地或间接地结合至另一元件/特征（或与另一元件/特征直接地或间接地连通），并且不一定是机械地。然而，应理解的是，尽管两个元件以下在一个实施例中可描述成“连接”，但在替代性实施例中，相似的元件可以“耦联”，并且反之亦然。因此，尽管在此示出的示意图描绘了元件的示例布置，但在实际的实施例中可存在另外介入的元件、器件、特征、或部件。
图1至图7图示了用于操作设置有变换器的电动马达的方法和系统。电动马达具有多个绕组（例如，至少五个），并且变换器具有耦联至电压源的多个开关。向多个开关施加第一多个开关矢量。第一多个开关矢量包括第一幅度（例如，大）的开关矢量对第二幅度（例如，中等）的开关矢量的第一比率。在向多个开关施加第一多个开关矢量期间，监测与电压源相关的直流（DC）电流（例如DC电流波动）。所监测的DC电流用于选择第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率。向多个开关施加第二多个开关矢量。第二多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第二比率。
图1是根据实施例的车辆（或“机动车辆”或机动车辆推进系统）10的示意图。机动车辆10包括底盘12、车身14、四个车轮16和电子控制系统18。车身14布置在底盘12上并大致包围机动车辆10的其他部件。车身14与底盘12可结合地形成车架。车轮16分别在车身14的相应角部附近可旋转地耦联至底盘12。
机动车辆10可以是多种不同类型的机动车辆中的任何一种，诸如轿车、货车、卡车或运动型多功能车（SUV）等，并且可以是两轮驱动（2WD）（即后轮驱动或前轮驱动）、四轮驱动（4WD）、或全轮驱动（AWD）。机动车辆10还可结合多种不同类型的发动机中的任何一种或它们的组合，诸如采用汽油或柴油作为燃料的内燃发动机、“灵活燃料车辆”（FFV）发动机（即利用汽油与酒精（或乙醇）的混合物）、采用气态化合物（例如氢和/或天然气）作为燃料的发动机、燃烧发动机/电动马达的混合动力发动机（即诸如在混合电动车（HEV）中）、和电动马达等。
图1中的机动车辆10是HEV，并且还包括致动器组件20、蓄电池（DC功率或电压供应部）22、功率电子组件（例如变换器或变换器组件）24和散热器26。致动器组件20包括内燃发动机28和电动马达/发电机（或马达）30。
仍然参考图1，集成燃烧发动机28和/或电动马达30，使得燃烧发动机28和/或电动马达30的一个或两者通过一根或多根驱动轴32机械地耦联至车轮16中的至少一些车轮。在实施例中，机动车辆10是“串联HEV”，其中燃烧发动机28不直接耦联至变速器，而是耦联至用于给电动马达30提供功率的发电机（未示出）。在另一实施例中，机动车辆10是“并联HEV”，其中例如通过使电动马达30的转子旋转地耦联至燃烧发动机28的驱动轴，燃烧发动机28被直接耦联至变速器。
散热器26在其外部处连接至车架，并且尽管未详细图示，但在其中包括了包含诸如水和/或乙二醇（即“防冻剂”）之类的冷却流体的多条冷却通道，并耦联至发动机28和变换器24。
再次参考图1，在所描绘的实施例中，变换器24接收并与电动马达30分享冷却剂。然而，其他的实施例可以分别为变换器24和电动马达30使用单独的冷却剂。散热器26可类似地连接至变换器24和/或电动马达30。
电子控制系统18可操作地与致动器组件20、电池22和变换器24连通。尽管未详细示出，但电子控制系统18包括各种传感器和机动车辆控制模块、或电子控制单元（ECU）（诸如变换器控制模块、马达控制器、和车辆控制器）、以及至少一个处理器（或处理系统）和/或存储器，该存储器具有存储在该存储器上（或存储在另一计算机可读介质中）的用于实现如下所述的过程和方法的指令。
参考图2，其示出了一般性的示例性变换器控制系统（或电气驱动系统）34。变换器控制系统34包括与脉宽调制（PWM）调制器38（或脉宽调制器）和变换器24（在其输出处）可操作地连通的控制器（或处理器）36。PWM调制器36耦联至栅驱动器（或门驱动器）40，该栅驱动器40继而具有耦联至变换器24的输入的输出。变换器24具有耦联至马达30的第二输出。控制器36和PWM调制器38可与图1所示的电子控制系统18是一体的。
图3更详细地示意性图示了图1和图2的蓄电池（和/或DC电压源）22、变换器24（或功率转换器）和马达30。在所描绘的实施例中，如通常所理解的那样，变换器24和电动马达为“五相”部件。变换器24包括耦联至马达30的五相电路。更具体地，变换器24包括开关网络，该开关网络具有耦联至蓄电池22（即电压源（VDC））的第一输入和耦联至马达30的输出。尽管示出了单个电压源，但可使用采用了两个或更多个串联源的分布式DC环节。
如本领域的技术人员所意识到的，电动马达30在一个实施例中为永磁电动马达，并包括定子组件42（包括导电线圈或绕组）和转子组件44（包括铁磁芯和/或磁体）、以及变速器和冷却流体（未示出）。如通常所理解的那样，定子组件42包括多个（例如五个）导电线圈或绕组46、48、50、52和54，所述导电线圈或绕组中的每一个均与电动马达30的五相中的一相相关联。如通常所理解的那样，转子组件44包括多个磁体56并可旋转地耦联至定子组件42。如通常所理解的那样，磁体56可包括多个（例如十六个）电磁极。磁体56可嵌入转子中，这通常称为内置式永磁（IPM）电机。应理解的是，以上提供的说明仅作为可使用的一种类型的电动马达的示例。
变换器24内的开关网络包括具有反向并联的二极管（即与每个开关反向并联）的五对串联的功率可控的开关器件（或者开关或部件），所述五对串联的功率可控的开关器件中的每一对均与马达30中的相对应。串联开关对中的每一对均包括第一可控开关或晶体管（即“高”开关）58、60、62、64和66，并且还包括第二可控开关（即“低”开关）68、70、72、74和76。第一可控开关58-66中的每个第一可控开关均具有耦联至电压源22的正极的第一端子。第二可控开关68-76中的每个第二可控开关均具有耦联至电压源22的负极的第二端子和耦联至相应第一可控开关58-66的第二端子的第一端子。也就是说，每一对中的可控开关（例如开关58与开关68）串联连接。
如通常所理解地，可控开关58-76可以采用在半导体（例如，硅）衬底（例如裸芯（die））上形成的集成电路内的诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）之类的单独半导体器件的形式。如所示，二极管78以反向并联的构造（即“回流”或“继流”二极管）连接至开关58-76中的每个开关。同样地，开关58-76中的每个开关与相应的二极管78可理解成形成开关二极管对或组，在示出的实施例中包括十个开关二极管对或组。
仍然参考图3，变换器24和/或马达30包括构造成检测通过马达30的绕组46-54（和/或通过开关58-76或二极管78的相应对）的电流流动以及来自电压源22的电流流动的多个电流传感器80。在一个实施例中，电流传感器80为霍耳效应传感器。电流传感器的其他示例包括电阻性分路类型传感器和磁阻类型传感器。变换器24还包括与电压源22并联连接和/或跨电压源22的正负端子（即跨DC环节）的DC电容器82。
参考图1，在正常操作（即驱动）期间，通过以交替的方式使用燃烧发动机28和电动马达30和/或同时使用燃烧发动机28和电动马达30向车轮16提供动力从而来操作机动车辆10。为了向电动马达30提供功率，从蓄电池22（而在燃料电池机动车辆的情况下，从燃料电池）向变换器24提供DC功率，变换器24在功率被送至电动马达30之前将DC功率转变成AC功率。如本领域的技术人员所意识到地，DC功率到AC功率的转变大致通过以诸如12千赫（kHz）的操作（或开关）频率来操作（即重复地开关）变换器24内的开关58-76来实现。
通常，参考图2，控制器36产生了用于控制变换器24的开关动作的脉宽调制（PWM）信号。于是，变换器24将PWM信号转变成用于操作马达30的调制电压波形。图2的变换器控制系统34在正常或前进操作期间包括多种操作，这些操作包括但不局限于接收扭矩命令、基于当前速度和可用电压将扭矩命令转变成电流命令、和对这样的电流命令进行调整。电流调整器（未示出）的输出是产生所需电流所需输出电压。PWM调制器38和栅驱动器40产生必需的栅脉冲（或占空比），其被送至变换器24以将电动马达30控制到预期的速度和/或扭矩。
如本领域的技术人员所意识到地，可控开关58-76（图3）的操作使电流流过马达30中的绕组46-54。该电流与由磁体56产生的磁场的相互作用使得产生洛伦兹力，从而使转子44相对于定子44旋转，这继而向车轮16提供了扭矩/功率。
根据本发明的一个方面，在DC环节上的DC电流波动被监测并用于调整由变换器24用于驱动马达30的开关方案。如上所述，变换器24和马达30至少在所描绘的实施例中为五相电子部件。也就是说，变换器24包括五组（或对）开关，所述开关组（或对）中每一组（或对）均与马达30相应的绕组46-54相关。
如本领域的技术人员所意识到地，这样的五相系统的操作可由诸如图4所示的参考坐标系（即αs-βs）84的静止系（相对于马达30的定子42）来表示。如所示，坐标系84可被分成十个扇区86（在图4中均被单独地加以文本标记）。图5更详细地图示了扇区86中的一个扇区（即扇区1）。
通过三个“电压矢量”，扇区86在各侧上被界定并且彼此分开：大电压矢量88、中等电压矢量90和小电压矢量92。仍然参考图5，电压矢量88、90和92中的每个电压矢量均与在括号中表示的对应的开关矢量（例如11000）相关联。
如通常所理解地，开关矢量88、90和92分别是指变换器24特定的操作模式。尤其地，开关矢量是指单独开关58-76的特定操作布置（图3）。开关矢量中的每个数字指示特定的开关对58-76内“高”开关的操作模式。例如，开关矢量“11000”是指变换器24的如下操作状态，在该操作状态中，开关58和60被激活（或接通（ON）），而开关62、64和66被停用（或断开（OFF））。如通常所理解地，为了避免短路，每个对中的“低”开关可处于与“高”开关相反的操作状态。因此，当向变换器24施加开关矢量“11000”时，开关68和70断开，而开关72、74和76接通。同样地，每个开关矢量对应于开关58-76中在其余开关被停用时被激活的相应部分，并且反之亦然。
当用于操作变换器24时，电压矢量88、90和92和/或相关的开关矢量中的每一个使得在绕组46-54上来施加电压（和/或使电流流过绕组46-54）。大电压矢量88使得施加第一幅度（即大）的电压。中等电压矢量90使得施加比第一幅度小的第二幅度（即中等）的电压。小电压矢量92使得施加比第二幅度小的第三幅度（即小）的电压。
仍然参考图5，当命令位于特定扇区86（例如扇区1）内的特定静止系电压（                                                
Figure 490226DEST_PATH_IMAGE001
）时，界定扇区86的特定电压矢量88、90和92（和/或相关的开关矢量）被用来通过调整特定矢量88、90和92中每个矢量被使用的持续时间（即通过调整开关的占空比）来产生命令的电压。在一个实施例中，仅使用大电压矢量88和中等电压矢量90（和/或相关的开关矢量）。也就是说，没有使用一个小电压矢量92。
根据本发明的一个方面，基于在DC环节上检测到的DC电流波动来调整用于操作马达30的大电压矢量88对中等电压矢量90的比率。
图6图示了根据本发明的一个实施例的马达控制系统（和/或方法）100。在一个实施例中，在电子控制系统18内实施控制系统100（即，以存储在计算机可读介质上的指令或“软件”的形式），尤其是在电子控制系统18中的变换器控制模块内实现控制系统100。然而，在其他实施例中，控制系统100的部分可实现为硬件，诸如利用了分立电子部件的电路。
如本领域的技术人员所意识到地，系统100可操作为用于马达30的扭矩控制器。电流命令块012接收扭矩命令（T*）、马达的角速度（ω r ）（例如利用旋转变压器确定）、和来自电压源的可用电压（V dc ）。电流命令块102例如使用存储在电子控制系统内的计算机可读介质上的查找表，以产生命令的同步系电流（I * q 、I * d ）。然后，同步系电流被发送至电流调整器104，作为感测的同步系电流（I q 、I d ），如以下详细描述的那样。
尽管未示出，但在电流调整器104内，同步系电流由相应的加法电路（或加法器）接收，所述加法电路（或加法器）中的每个加法电路（或加法器）从相应命令的电流中减去感测的同步系电流。命令的与感测的同步系电流之间的差（即误差）被送至比例积分（PI）控制器。如本领域的技术人员所意识到地，PI控制器为反馈环部件，其从过程或其他设备中取得测量值（或输出）并将该测量值（或该输出）与设定值或参考值进行比较。然后，将该差（或“误差”信号）用于调整对过程的输入，以便使输出达到其预期参考值。PI控制器可包括比例项和积分项。乘以常数的比例项用于考虑“即时”或当前误差。积分项则对一段时间期间的误差进行积分，并将该积分的和乘以另一常数。
这样，PI控制器从加法电路接收当前电流误差，并产生表示当前电流误差与在一段时间期间的电流误差的组合的信号。将PI控制器的输出分别送至在一个实施例中还接收去耦电压/前馈项的第二组加法电路。该加法电路将PI控制器的输出加到相应的去耦电压，并向换相块106输出命令的同步系电压（V * q 、V * d ）。
换相块106使用同步系电压并且与马达角位置（θ r ）一起来产生两相静止系电压（V * α 、V * β ）。将静止系电压送至脉宽调制（PWM）发生器108，脉宽调制（PWM）发生器108将两相静止系电压转变成五相电压和/或栅脉冲（或占空比）（S a 、S b 、S c 、S d 、S e ），然后将所述五相电压和/或栅脉冲（或占空比）（S a 、S b 、S c 、S d 、S e ）发送至变换器24，并用于操作开关58-76（图3），从而驱动马达30。
在操作期间，电流传感器80提供了表示流过系统的各个部分的感测电流的信号，包括绕组46-54（I a 、I b 、I c 、I d 、I e ）。绕组电流在转变块110处从五相转变成两相，在转变块112处利用马达的角位置（θ r ）转变到同步参考系中，并被送至电流调整器块104。
仍然参考图6，马达控制系统100还包括电流波动调整器114。电流波动调整器114接收来自电流传感器80（其耦联至DC环节（图3））的DC环节电流（I dc ）和来自存储器的参考电流（I O Reference ），并向PWM发生器108提供大矢量命令和中等矢量命令。
图7更详细地图示了电流波动调整器114。如所示，DC环节电流（Idc）由高通滤波器116接收，高通滤波器116滤掉所有相对恒定的DC偏移电流，并向均方根（RMS）计算块118输出电流波动（I dc_ripple ）。将RMS电流波动（I dc_ripple RMS ）发送至加法电路（或加法器）120，在加法电路（或加法器）120处从参考电流中减去RMS电流波动（I dc_ripple RMS ）。可将参考电流设定为“0”，其表示变换器24的没有电流波动的操作。作为加法器120的输出的电流波动误差（波动误差）被发送至PI调整器120。
PI调整器120可以类似于上述调整器的方式操作，使得PI调整器120的输出信号表示RMS电流波动与参考电流之间的误差。在一个实施例中，该误差与“大矢量份额（split）”对应，如以下更详细描述的那样。大矢量份额在被送至PWM发生器108和加法器124之前被送至最小量限制器122（大矢量命令）。加法器124从1减去受限的大矢量份额，以确定同样被送至PWM发生器108的“中等矢量份额”（中等矢量命令）。
大矢量份额（大矢量命令）和中等矢量份额（中等矢量命令）由PWM发生器108使用，以确定用于驱动马达30的大电压矢量88对中等电压矢量90的比率（图5）、或者等同的百分比。在一个实施例中，不使用小的电压矢量92。
仍然参考图7，电压波动调整器114通过调整大矢量份额和中等矢量份额、或更简单地调整大电压矢量对中等电压矢量的比率来响应DC环节电流（I dc ）中的变化。例如，PWM发生器108可从100%的大电压矢量和0%的中等电压矢量开始。电流波动调整器114基于波动电流中的变化自动地使大电压矢量对中等电压矢量的比率减小。电流波动的增大导致了波动误差以及PI调节器120的输出的增大，这对应于大矢量份额。由于大矢量份额减小，所以中等矢量份额增大。同样地，电流波动的减小导致大矢量份额的减小和中等矢量份额的增大。
然而，最小量限制器122防止大矢量份额下降到低于预定阈值。阈值可在将该系统安装在机动车辆10（图1）中之前的测试期间确定。预定阈值可对应于近似70%的大电压矢量和30%的中等电压矢量。在一个实施例中，利用近似75%的大电压矢量和25%的中等电压矢量或近似3:1的大电压矢量对中等电压矢量的比率，使得电流波动最小。
应理解的是，由于性能特性的变化，所以使电流波动最小的大矢量份额可随系统的寿命而变化。例如，如果PWM发生器108从100%的大电压矢量（或第一比率）开始，则操作可在几分钟的使用之后稳定在75%的大电压矢量（第二比率）。然而，在几个月的使用之后，能够以不同的比率（诸如80%的大电压矢量）来使电流波动最小。
在另一实施例中，操作例如可从50%的大电压矢量和50%的中等电压矢量开始。调整比率以确定是否需要增加或减小大矢量的比率以减小DC电流波动。一旦趋势被识别，则适当地调整比率，直到波动电流开始再次增大为止，这表示已获得最小电流波动。
上述方法和系统可减小DC环节电流波动和电压波动、以及DC电容器波动。还可减小DC电容，这允许使用较小的电容器。结果，可使蓄电池损耗最小并可改善总体电气性能。
其他实施例可利用除DC/AC变换器之外的源器件，诸如DC/DC功率转换器，以及除电动马达之外的负载器件，诸如蓄电池（例如锂离子蓄电池）。上述系统可在除机动车辆之外的系统中实现，诸如船舶和飞机。电动马达和功率变换器可具有不同的相数（即超过五个）。可使用其他形式的功率源（诸如电流源）和负载（包括二极管整流器、可控硅转换器、燃料电池、电感器、电容器、和/或它们的任意组合）。应指出的是，以上提供的数值范围仅用作示例，并不意图用于限制上述系统的使用。
尽管在前述详细说明中已介绍了至少一个示例性实施例，但应意识到的是，存在许许多多的变型。还应意识到的是，一个或多个示例性实施例仅是示例，并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或构造。相反地，前述详细说明给本领域的技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的便利指导。应理解的是，在不偏离本发明的由所附权利要求和其法律等同物提出的范围的情况下，可在元件的功能和布置中作出各种变化。

Claims (20)

1.一种用于操作具有多个绕组的电动马达的方法，其中变换器具有耦联至电压源的多个开关，所述方法包括：
向所述多个开关施加第一多个开关矢量，所述第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率；
在向所述多个开关施加所述第一多个开关矢量的期间，监测与所述电压源相关的直流DC电流；
基于对与所述电压源相关的DC电流的监测来选择所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的第二比率；以及
向所述多个开关施加第二多个开关矢量，所述第二多个开关矢量包括所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述第一多个开关矢量中的每一个和施加所述第二多个开关矢量中的每一个包括：
激活所述多个开关中的第一部分；以及
停用所述多个开关中的第二部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，施加所述第一幅度的开关矢量中的每一个使得在所述多个绕组中的至少一个绕组上施加第一电压，施加所述第二幅度的开关矢量中的每一个使得在所述多个绕组中的至少一个绕组上施加第二电压，并且所述第一电压大于所述第二电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一多个开关矢量对应于在参考坐标系的静止系上的第一多个电压矢量，而所述第二多个开关矢量对应于在参考坐标系的所述静止系上的第二多个电压矢量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述变换器构造成向所述多个开关施加第三幅度的开关矢量，所述第三幅度的开关矢量对应于在所述多个绕组中的至少一个绕组上施加的第三电压，并且其中所述第三电压小于所述第二电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一多个开关矢量不包括任何所述第三幅度的开关矢量，并且其中所述第二多个开关矢量不包括任何所述第三幅度的开关矢量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变换器至少为五相变换器。
8.根据权利要求2所述的方法，还包括：
在向所述多个开关施加所述第二多个开关矢量期间，监测与所述电压源相关的DC电流；
基于在向所述多个开关施加所述第二多个开关矢量期间对与所述电压源相关的DC电流的监测，选择所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的第三比率；以及
向所述多个开关施加第三多个开关矢量，所述第三多个开关矢量包括所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第三比率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在向所述多个开关施加所述第一多个开关矢量的期间监测与所述电压源相关的DC电流包括监测DC电流波动，并且在向所述多个开关施加所述第二多个开关矢量的期间监测与所述电压源相关的DC电流包括监测所述DC电流波动。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率为3:1。
11.一种机动车辆电气系统，包括：
电动马达，所述电动马达包括至少五个绕组；
变换器，所述变换器包括耦联至所述至少五个绕组的多个开关；
电压源，所述电压源耦联至所述多个开关；
电流传感器，所述电流传感器耦联至所述电压源，并构造成检测与所述电压源相关的直流DC电流和产生表示所述DC电流的信号；以及
处理器，所述处理器与所述多个开关和所述电流传感器可操作地连通，所述处理器构造成：
       向所述多个开关施加第一多个开关矢量，所述第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率；
       基于与所述电压源相关的DC电流来选择所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的第二比率；以及
       向所述多个开关施加第二多个开关矢量，所述第二多个开关矢量包括所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率。
12.根据权利要求11所述的机动车辆电气系统，其中，所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率为3:1。
13.根据权利要求12所述的机动车辆电气系统，其中，所述处理器构造成使得施加所述第一多个开关矢量中的每一个和施加所述第二多个开关矢量中的每一个包括：
激活所述多个开关中的第一部分；以及
停用所述多个开关中的第二部分。
14.根据权利要求13所述的机动车辆电气系统，其中，施加所述第一幅度的开关矢量中的每一个使得在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加第一电压，施加所述第二幅度的开关矢量中的每一个使得在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加第二电压，并且所述第一电压大于所述第二电压。
15.根据权利要求14所述的机动车辆电气系统，其中，所述变换器构造成向所述多个开关施加第三幅度的开关矢量，所述第三幅度的开关矢量对应于在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加的第三电压，并且其中所述第三电压小于所述第二电压。
16.一种机动车辆推进系统，包括：
电动马达，所述电动马达包括至少五个绕组；
直流DC电压供应部；
直流至交流DC/AC功率变换器，所述直流至交流DC/AC功率变换器包括耦联至所述至少五个绕组和所述DC电压供应部的至少五对功率开关器件；以及
处理器，所述处理器与所述电动马达、所述DC电压供应部和所述DC/AC功率变换器可操作地连通，所述处理器构造成：
       向所述至少五对功率开关器件施加第一多个开关矢量，所述第一多个开关矢量包括第一幅度的开关矢量对第二幅度的开关矢量的第一比率；
       基于与所述DC电压供应部相关的DC电流来选择所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的第二比率；以及
       向所述至少五对功率开关器件施加第二多个开关矢量，所述第二多个开关矢量包括所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率。
17.根据权利要求16所述的机动车辆推进系统，其中，所述第一多个开关矢量对应于参考坐标系的静止系上的第一多个电压矢量，而所述第二多个开关矢量对应于参考坐标系的所述静止系上的第二多个电压矢量。
18.根据权利要求17所述的机动车辆推进系统，其中，施加所述第一幅度的开关矢量中的每一个使得在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加第一电压，施加所述第二幅度的开关矢量中的每一个使得在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加第二电压，并且所述第一电压大于所述第二电压。
19.根据权利要求18所述的机动车辆推进系统，其中，所述变换器构造成向所述至少五对功率开关器件施加第三幅度的开关矢量，所述第三幅度的开关矢量对应于在所述至少五个绕组中的至少一个绕组上施加的第三电压，并且其中所述第三电压小于所述第二电压。
20.根据权利要求19所述的机动车辆推进系统，其中，所述处理器构造成使得所述第一幅度的开关矢量对所述第二幅度的开关矢量的所述第二比率为3:1。
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