CN102916646A - 调节调制指数以提高相电压指令线性的方法、系统和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及调节调制指数以提高相电压指令线性的方法、系统和设备。本发明的实施例涉及用于控制电动机系统中多相电机的操作的方法、系统和设备。所公开的实施例提供了用于调节电压指令的调制指数以提高电压指令的线性的机构。

Description

调节调制指数以提高相电压指令线性的方法、系统和设备

本发明是在由美国能源部颁发的DEFC26-07NT43123下的政府支持中进行的。政府在本发明中具有特定的权益。

技术领域

本发明的实施例总地涉及用于控制多相位系统的操作的技术，更特别地，涉及用来调节用于控制多相位机械的相位电压的方法、系统和设备。

背景技术

电机被广泛应用在各种各样的应用中。例如，混合动力/电动车（HEV）通常包括电力牵引驱动系统，该系统包括由具有直流（DC）电源（例如存储电池）的功率转换器驱动的多相位交流（AC）电机。AC电机的电机绕阻可联接至功率逆变器模块（PIM）的逆变器子模块。每个逆变器子模块都包括一对开关，该开关以互补的方式转换以执行将DC电力转换为AC电力的快速转换功能。该AC电力驱动AC电机，进而驱动HEV传动系的轴。

例如，某些传统HEV使用两个三相脉宽调制（PWM）逆变器模块和两个三相AC机器（例如，AC电机），每个三相AC机器都由其连接的三相PWM逆变器中的相应一个驱动。

在这种多相系统中，电压指令信号被应用至脉宽调制（PWM）模块。PWM模块对相位电压指令信号采用PWM波形，以控制相位电压指令信号的脉宽调制，并产生提供给PWM逆变器模块的转换矢量信号。

然而，在许多系统中，由于例如转换限制，以及汇流板、终端和电缆中的电压降等因素，施加在机器终端的电压展现相对于指令的相位电压的非线性。结果，会向机器应用错误的相位电压，从而无法恰当地调节相位电流，进而引起电流/扭矩振荡。

期望提供一种用于减少或消除指令相位电压中这种非线性的机构，使得在多相机器的终端应用正确的电压，以帮助保持恰当的相位电流调节。结合附图及前面的技术领域和背景技术，从后面的详细描述和所附权利要求可清楚本发明的其它期望特征和特性。

发明内容

本发明的实施例涉及用于控制多相电机的操作的方法、系统和设备，所述多相电机由电机驱动系统的多相PWM控制逆变器模块驱动。根据本公开的一部分，提供了用于控制具有多个电机终端的多相电机的方法。调制指数（MI*）和电压相角（Vangle）基于从电流调节器提供的电压指令信号和DC输入电压（Vdc）计算。

基于调制指数（MI*）（和可能的相位电流（Iph）），可产生调节后调制指数（MI*_adj）。调节后调制指数（MI*_adj）用于调节电压指令信号，并产生调节后电压指令信号（Vd_adj*，Vq_adj*），使得最后应用于电机终端的三相交流（AC）电压信号波形与电压指令信号基本相匹配。

基于调节后调制指数（MI*_adj）、电压相角（Vangle）和DC输入电压（Vdc），可计算用于产生开关矢量信号（Sa...Sc）的调节后电压指令信号（Vd_adj*，Vq_adj*）。基于开关矢量信号（Sa...Sc）和DC输入电压（Vdc），可产生三相交流（AC）电压信号波形，并将其应用于电机终端。应用于电压指令信号以产生调节后电压指令信号（Vd_adj*，Vq_adj*）的调节引起所述相位电压指令信号的大小被调节，以不管所述电动机驱动系统中的非线性而基本上匹配电机终端电压。

本发明提供如下技术方案。

技术方案1：一种用于调节来自电动机驱动系统中电流调节器的电压指令信号的方法，该方法包括：

基于所述电压指令信号计算调制指数；

基于所述调制指数产生调节后调制指数；以及

基于所述调节后调制指数计算调节后电压指令信号。

技术方案2：根据技术方案1的方法，其中基于所述电压指令信号计算调制指数的步骤包括：

基于所述电压指令信号和DC输入电压计算调制指数和电压相角。

技术方案3：根据技术方案2的方法，其中基于所述调节后调制指数计算调节后电压指令信号的步骤包括：

基于所述调节后调制指数、所述电压相角和所述DC输入电压计算调节后电压指令信号。

技术方案4：根据技术方案1的方法，其中基于所述调制指数产生调节后调制指数的步骤包括：

基于所述调制指数和相位电流产生调节后调制指数。

技术方案5：根据技术方案1的方法，其中所述多相电机包括电机终端，所述方法还包括：

通过对所述调节后电压指令信号进行dq-αβ转换来产生固定参照系电压指令信号；

基于所述固定参照系电压指令信号产生相位电压指令信号；

基于所述相位电压指令信号产生开关矢量信号；

基于所述开关矢量信号和DC输入电压产生三相交流电压信号波形；以及

向所述电机终端应用所述三相交流电压信号波形，其中所述调节后电压指令信号使得所述相位电压指令信号的大小被调节成基本上匹配应用的电机终端电压V_AN、V_BN、V_CN，而不管所述电动机驱动系统中的非线性。

技术方案6：根据技术方案1的方法，其中所述电压指令信号包括同步参照系d轴电压指令信号和同步参照系q轴电压指令信号，且其中所述调节后电压指令信号包括调节后同步参照系d轴电压指令信号和调节后同步参照系q轴电压指令信号。

技术方案7：根据技术方案1的方法，其中所述调节后调制指数用于调节所述电压指令信号和产生所述调节后电压指令信号，使得应用的电机终端电压V_AN、V_BN、V_CN与所述相位电压指令信号基本上相匹配。

技术方案8：一种电动机驱动系统，包括：

电流调节器；以及

电压指令调节处理器，其设计成从所述电流调节器接收电压指令信号，并产生用于计算调节后电压指令信号的调节后调制指数。

技术方案9：根据技术方案8的电动机驱动系统，其中所述电压指令调节处理器包括：

调制指数计算模块，其设计成从所述电流调节器接收电压指令信号，并基于所述电压指令信号计算调制指数；

调制指数查寻表，其设计成基于所述调制指数产生调节后调制指数；以及

电压指令调节模块，其设计成基于所述调节后调制指数计算调节后电压指令信号。

技术方案10：根据技术方案9的电动机驱动系统，其中所述调制指数计算模块进一步设计成基于所述电压指令信号和DC输入电压计算所述调制指数和电压相角。

技术方案11：根据技术方案10的电动机驱动系统，其中所述电压指令调节模块进一步设计成基于所述调节后调制指数、所述电压相角和所述DC输入电压计算调节后电压指令信号。

技术方案12：根据技术方案9的电动机驱动系统，其中所述调制指数查寻表设计成基于所述调制指数和相位电流产生调节后调制指数。

技术方案13：根据技术方案8的电动机驱动系统，还包括：

同步-固定转换模块，其通过对所述调节后电压指令信号进行dq-αβ转换来产生固定参照系电压指令信号；

αβ-abc转换模块，其接收所述固定参照系电压指令信号，并产生相位电压指令信号；

脉宽调制模块，其基于所述相位电压指令信号产生开关矢量信号；

逆变器模块，其基于所述开关矢量信号和DC输入电压产生三相交流电压信号波形；以及

包括电机终端的多相电机，其中所述多相电机联接至所述逆变器模块，并且所述三相交流电压信号波形被应用于所述电机终端，

其中所述调节后电压指令信号引起所述相位电压指令信号的大小被调节成基本上匹配应用的电机终端电压V_AN、V_BN、V_CN，而不管所述多相电机和所述逆变器模块中的非线性。

技术方案14：根据技术方案8的电动机驱动系统，其中所述电压指令信号包括同步参照系d轴电压指令信号和同步参照系q轴电压指令信号，且其中所述调节后电压指令信号包括调节后同步参照系d轴电压指令信号和调节后同步参照系q轴电压指令信号。

技术方案15：根据技术方案8的电动机驱动系统，其中所述调节后调制指数用于调节所述电压指令信号和产生所述调节后电压指令信号，使得应用的电机终端电压V_AN、V_BN、V_CN与所述相位电压指令信号基本上相匹配。

技术方案16：在包括具有电机终端和电动机驱动系统的多相电机的系统中，用于控制所述多相电机的方法，该方法包括：

基于从电流调节器提供的电压指令信号和DC输入电压计算调制指数和电压相角；

基于所述调制指数产生调节后调制指数；

基于所述调节后调制指数、所述电压相角和所述DC输入电压计算调节后电压指令信号；

基于调节后电压指令信号产生开关矢量信号，并然后基于所述开关矢量信号和所述DC输入电压产生三相交流电压信号波形；以及

向所述电机终端应用所述三相交流电压信号波形，其中应用于所述电压指令信号以产生所述调节后电压指令信号的调节引起所述相位电压指令信号的大小被调节成基本上匹配应用的电机终端电压V_AN、V_BN、V_CN，而不管所述电动机驱动系统中的非线性。

技术方案17：根据技术方案16的方法，其中基于所述调制指数产生调节后调制指数的步骤包括：

基于所述调制指数和相位电流产生调节后调制指数。

技术方案18：根据技术方案16的方法，其中所述电压指令信号包括同步参照系d轴电压指令信号和同步参照系q轴电压指令信号，其中所述调节后电压指令信号包括调节后同步参照系d轴电压指令信号和调节后同步参照系q轴电压指令信号。

技术方案19：根据技术方案16的方法，其中所述调节后调制指数用于调节所述电压指令信号和产生所述调节后电压指令信号，使得应用的电机终端电压V_AN、V_BN、V_CN与所述相位电压指令信号基本上相匹配。

附图说明

下面结合附图描述本发明的实施例，其中相同的标记指代相同的元件，并且

图1为根据一些所公开实施例的矢量控制电机驱动系统的一个例子的框图；

图2为包括连接至三相AC电机的三相电压源逆变器模块的电机驱动系统的一部分的框图；

图3为根据所公开实施例的一个实施方式的电压指令调节处理器的框图；

图4为示出根据一些所公开实施例的方法的流程图；

图5为示出一组曲线的曲线图，该一组曲线绘出了随指令调制指数（MI）变化的测量后调制指数（MI）；以及

图6为示出一组曲线的曲线图，该一组曲线示出了根据所公开实施例的测量后调制指数（MI）和调节后调制指数（MI*_adj）的绘图。

具体实施方式

如本文所使用的，词语“示例性”意味着“用作例子、实例或示例”。下面的详细描述实质上仅仅是示例性的，不意欲限制本发明或本申请以及本发明的使用。本文作为“示例性”描述的任何实施例并非必需构造为超过其它实施例的优选或有利的。该具体实施方式中描述的所有实施例都是使本领域技术人员能够进行或使用本发明所提供的示例性实施例，并不限制由权利要求限定的本发明的范围。另外，不意欲通过前面技术领域、背景技术、说明书摘要或后面的具体实施方式中所存在的任何明确或暗示的理论来限定。

在详细描述根据本发明的实施例之前，应当注意，所述实施例主要体现在与控制多相系统的操作相关的方法步骤和设备部件的组合。应当清楚，这里所述本发明的实施例可使用硬件、软件或其组合来实施。本文所述控制电路可包括可使用模拟和/或数字电路的组合、分立或集成式模拟或数字电路或其组合来实施的各种部件、模块、电路和其它逻辑。如本文所使用的，术语“模块”指的是用于执行任务的装置、电路、电气部件、和/或基于软件的部件。在一些实施方案中，当实施这里所述的控制电路中的部分或全部控制逻辑时，该控制电路可使用一个或多个专用集成电路（ASIC）、一个或多个微处理器、和/或基于一个或多个数字信号处理器（DSP）的电路来实施。应当清楚，这里所述的本发明的实施例可包括一个或多个传统的处理器和唯一存储的程序指令，该唯一存储的程序指令控制所述一个或多个处理器以结合特定的非处理器电路来实施用于控制多相系统的操作的一些、大部分、或全部的功能，如本文所述。这样，这些功能可解释为用于控制多相系统的操作的方法的步骤。可选地，一部分或全部功能可由不具备存储的程序指令的状态机或在一个或多个专用集成电路（ASIC）中执行，其中按照定制逻辑执行各功能或者特定功能的一些组合。当然，可以使用所述两种方法的组合。因此，这里描述用于这些功能的方法和手段。另外，尽管可能要付出相当大的努力以及受例如可用时间、当前技术和经济方面考虑激发的许多设计选择，但是在受本文所公开的概念和原理引导时，本领域的技术人员容易通过最少的试验能够产生这种软件指令和程序以及IC。

概要

本发明的实施例涉及用于控制可在操作环境（例如混合动力/电动车（HEV））中实施的多相系统的操作的方法、系统和设备。本发明的实施例涉及用于调节调制指数以使应用在机器终端的电压相对于指令的相位电压更加线性的方法、系统和设备。在现在描述的示例性实施方案中，所述控制方法和技术被描述为应用于混合动力/电动车。然而，本领域的技术人员应清楚，相同或相似的方法和技术可应用在期望控制多相系统的操作的其它系统的环境中。这样，本文公开的所有概念通常都能应用于“车辆”，且如本文中所使用的，术语“车辆”广泛地指令具有AC电机的非生物运输机构。另外，术语“车辆”不受任何具体的推进技术限制，例如汽油或柴油燃料。相反，车辆还包括混合动力车、电池电动车、氢能源汽车、和使用各种其它替代燃料操作的车辆。

如本文所使用的，术语“交流（AC）电机”通常指“将电能转换为机械能或者反之亦然的装置或设备”。AC电机通常分为同步AC电机和异步AC电机。同步AC电机可包括永磁电机和磁阻电机。永磁电机包括表面安装式永磁电机（SMPMM）和内置式永磁电机（IPMM）。尽管AC电机可为AC电动机（例如，用于转换在其输入处的AC电能以产生机械能或动力的设备），但是AC电机不限于AC电动机，还可包括用于将在其原动机处的机械能或动能转换为在其输出处的AC电能或电功率的发电机。任何机械可为AC电动机或AC发电机。AC电动机为由交流电驱动的电动机。在一些实施方案中，AC电动机包括具有线圈的外置固定定子、和连接至输出轴的内置转子，其中所述线圈供给有交流电以产生旋转磁场，所述输出轴通过旋转磁场被给予扭矩。

图1为根据所公开实施例的矢量控制电动机驱动系统100的一个例子的框图。系统100通过联接至三相AC电机120的三相脉宽调制（PWM）逆变器模块110控制三相AC电机120，使得通过调节控制三相AC电机120的电流指令，三相AC电机120能有效使用提供给三相PWM逆变器模块110的DC输入电压（Vdc）。在一个特定实施方案中，矢量控制电动机驱动系统100可用于控制HEV中的转矩。

在下面一个特定非限制性实施方案的描述中，三相AC电机120被描述为三相AC供能的电动机120，特别是三相永磁同步AC供能的电动机（或者更广义地为电动机120）；然而，应当清楚，所示实施例仅为所公开实施例可应用的AC电机类型的一个非限制性实例，进一步地，所公开实施例可用于包括更少或更多相位的任意类型的多相AC电机。

三相AC电动机120通过三个逆变器极点联接至三相PWM逆变器模块110，并基于从PWM逆变器模块110接收的三相正弦电流信号产生机械动力（转矩X速度）。在一些实施方案中，三相AC电动机120的转子的角度位置（θr）或“轴位置”使用位置传感器（未示出）测量，在其它实施方案中，三相AC电动机120的转子的角度位置（θr）可通过使用无传感器位置估计技术来估计而无需使用位置传感器。

在描述系统100的操作细节之前，参考图2提供三相电压源逆变器110的一个示例性实施方案的更详细的描述（包括其如何连接至三相AC电动机120）。

图2为包括连接至三相AC电动机120的三相电压源逆变器110的电动机驱动系统的一部分的框图。应当注意，图1中的三相电压源逆变器110和三相电动机120不限于该实施方案；相反，图2仅仅是图1中三相电压源逆变器110和三相电动机120在一个特定实施使中如何实施的一个示例。

如图2中所示，三相AC电动机120具有连接至电动机终端A、B、C的三个定子或电动机绕阻120a、120b、120c，三相PWM逆变器模块110包括电容270和三个逆变器子模块115-117。在该特定实施例中，相位A中逆变器子模块115联接至电动机绕阻120a，相位B中逆变器子模块116连接至电动机绕阻120b，相位C中逆变器子模块117联接至电动机绕阻120c。进入电动机绕阻A 120a的电流流出电动机绕阻B、C 120b-120c，进入电动机绕阻120B的电流流出电动机绕阻A和C 120a、120c，以及进入电动机绕阻C 120c的电流流出电动机绕阻A和B 120a、120b。

产生的相位或定子电流（Ia-Ic）122、123、124流过各自的定子绕阻120a-c。跨越各定子绕阻120a-120c的相位至中性的电压分别标记为V_AN、V_BN、V_CN，各定子绕阻120a-120c中由理想电压源产生的反电动势（EMF）电压分别图示为电压E_a、E_b、E_c，其中各理想电压源分别图示为与定子绕阻120a-120c串联。众所周知，这些反EMF电压E_a、E_b、E_c为由永磁转子的旋转在各自的定子绕阻120a-120c中引起的电压。尽管未示出，但是电动机120联接至传动轴。

逆变器110包括电容270，包括双开关272/273、274/275的第一逆变器子模块115，包括双开关276/277、278/279的第二逆变器子模块，和包括双开关280/281、282/283的第三逆变器子模块。这样，逆变器110具有六个固态可控制开关装置272、274、276、278、280、282和六个二极管273、275、277、279、281、283，以恰当地切换复合电压（V_DC）并提供三相AC电动机120的定子绕阻120a、120b、120c的三相通电。

尽管未示出，但是闭环电动机控制器可从电动机120接收电动机指令信号和电动机操作信号，并产生用于控制逆变器子模块115-117内的固态开关装置272、274、276、278、280、282的开关的控制信号。通过向各逆变器子模块115-117提供适当的控制信号，闭环电动机控制器控制逆变器子模块115-117内的固态开关装置272、274、276、278、280、282的开关，从而控制逆变器子模块115-117的分别提供给电动机绕阻120a-120c的输出。由三相逆变器模块110的逆变器子模块115-117产生的生成定子电流（Ia…Ic）122-124被提供给电动机绕阻120a、120b、120c。如V_AN、V_BN、V_CN的电压和在节点N的电压依赖于逆变器模块110的逆变器子模块115-117中开关272、274、276、278、280、282的开/闭状态而随时间波动，如下面所描述的。

再参考图1，矢量控制电动机驱动系统100包括转矩-电流映射模块140、同步（SYNC.）框架电流调节器模块170、电压指令调节处理器180、同步-固定（SYNC.-STAT.）转换模块102、αβ参照系-abc参照系（αβ-abc）转换模块106、脉宽调制（PWM）模块108、三相PWM逆变器110、abc参照系-αβ参照系（abc-αβ）转换模块127、和固定-同步（STAT.-SYNC.）转换模块130。

转矩-电流映射模块140接收作为输入的转矩指令信号（Te*）136、基于转子/轴位置输出（θr）121的导数产生的轴的角旋转速度（ωr）138和DC输入电压（V_DC）139、以及依赖于实施方案的可能大量其它系统参数。转矩-电流映射模块140使用这些输入产生会引起电动机120以速度（ωr）138产生指令转矩（Te*）的 d轴电流指令信号（Id*）142和q轴电流指令信号（Iq*）144。特别地，转矩-电流映射模块140使用这些输入将转矩指令信号（Te*）136映射至d轴电流指令（Id*）142和q轴电流指令（Iq*）144。同步参照系d轴和q轴电流指令信号（Id*，Iq*）142、144为具有随时间变化的恒定值的DC指令。

abc-αβ转换模块127接收从电动机120反馈的测量后三相固定参照系反馈定子电流（Ia…Ic）122-124。abc-αβ转换模块127使用这些三相固定参照系反馈定子电流122-124来执行abc参照系至αβ参照系转换，以将三相固定参照系反馈定子电流122-124转换为固定参照系反馈定子电流（Iα，Iβ）128、129。abc-αβ转换是本领域公知的，为简洁起见不再详细描述。

固定-同步转换模块130接收固定参照系反馈定子电流（Iα，Iβ）128、129和转子角位置（θr）121，并产生（例如，处理或转换）这些固定参照系反馈定子电流（Iα，Iβ）128、129，以产生同步参照系d轴电流信号（Id）132和同步参照系q轴电流信号（Iq）134。固定-同步转换的过程是本领域公知的，为简洁起见不再详细描述。

同步框架电流调节器模块170接收同步参照系d轴电流信号（Id）132、同步参照系q轴电流信号（Iq）134、d轴电流指令（Id*）142和q轴电流指令（Iq*）144，并使用这些信号产生同步参照系d轴电压指令信号（Vd*）172和同步参照系q轴电压指令信号（Vq*）174。同步参照系电压指令信号（Vd*, Vq*）172、174为具有随稳定状态操作的时间变化的恒定值。电流至电压转换的过程可实施为比例-积分（PI）控制器，这是本领域内公知的，为简洁起见不再详细描述。因为电流指令是同步参照系中的DC信号，所以与AC固定参照系电流指令相比，它们更容易进行调节。然而，开关272、274、276、278、280、282的开关限制和汇流板、终端、电缆及逆变器110中的电压降会在同步参照系d轴电压指令信号（Vd*）172和同步参照系q轴电压指令信号（Vq*）174中引入非线性，该非线性通过相对于指令相位电压应用在机器终端的电压传播并在该电压中产生非线性。如下所述，所公开的实施例可提供用于调节指令相位电压172、174以减少和/或消除相对于指令相位电压应用在机器终端的电压中的非线性的方法、系统和设备。

电压指令调节处理器180接收同步参照系d轴电压指令信号（Vd*）172和同步参照系q轴电压指令信号（Vq*）174。电压指令调节处理器180处理这些电压指令信号172、174，以产生调节后同步参照系d轴电压指令信号（Vd_adj*）192和调节后同步参照系q轴电压指令信号（Vq_adj*）194。调节后电压指令信号（Vd_adj*，Vq_adj*）192、194被调节成使得可提高逆变器模块110产生的输出电压信号的线性。下面参考图3描述有关电压指令调节处理器180的操作的进一步细节。

同步-固定转换模块102接收作为输入的调节后电压指令信号（Vd_adj*，Vq_adj*）192、194连同转子位置输出（θr）121。响应于调节后电压指令信号（Vd_adj*，Vq_adj*）192、194和测量后（或估计的）转子位置角度（θr）121，同步-固定转换模块102执行dq-αβ转换，以产生α轴固定参照系电压指令信号（Vα*）104和β轴固定参照系电压指令信号（Vβ*）105。固定参照系α轴和β轴电压指令信号（Vα*，Vβ*）104、105在固定参照系中，且因此具有随时间函数正弦波变化的值。同步-固定转换的过程是本领域公知的，为简洁起见，不再详细描述。

αβ-abc转换模块106接收固定参照系电压指令信号（Vα*，Vβ*）104、105，并基于这些信号产生发送至PWM模块108的固定参照系电压指令信号（Vas* …Vcs*）107（也称为“相位电压指令信号”）。 αβ-abc转换是本领域内公知的，为简洁起见，不再详细描述。

三相PWM逆变器模块110联接至PWM模块108。PWM模块108用于相位电压指令信号（Vas* …Vcs*）107的脉宽调制（PWM）的控制。开关矢量信号（Sa…Sc）109基于图1中未示出的工作循环波形产生，而不是在PWM模块108内部产生，以在每个PWM期间都具有特定的工作循环。PWM模块108基于工作循环波形（图1中未示出）修改相位电压指令信号（Vas* …Vcs*）107，以产生提供给三相PWM逆变器模块110的开关矢量信号（Sa…Sc）109。PWM模块108中执行的特定调制算法可为任意已知的调制算法，包括空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，以控制脉宽调制（PWM）产生基于DC输入139以变化的速度驱动三相AC供能的电机120的交流（AC）波形。

开关矢量信号（Sa…Sc）109控制PWM逆变器110中开关的开关状态，以在各相位A、B、C产生三相电压指令。开关矢量信号（Sa…Sc）109为在各PWM期间具有特定工作循环的PWM波形，所述PWM周期由在PWM模块108内部产生的工作循环波形确定。三相电压源逆变器模块110必须控制成使得在相同逆变器子模块115-117或“腿”中的两个开关不都接通，以防止DC电源被短路。这样，相同逆变器子模块115-117中的开关操作成使得当一个断开时，另一个接通，反之亦然。为进一步解释，在任意特定时间的给定相位（A…C）中，一个开关断开，另一个开关接通（即，特定逆变器子模块中的两个开关必须具有相反的接通/断开状态）。如关于相位A的一个示例，当开关272接通时，开关274断开，反之亦然。这样，对于特定逆变器子模块，该逆变器子模块中两个开关的接通/断开状态可表示为二进制的1或二进制的0。例如，当给定相位中的上面开关接通（下面开关断开）时，比特值为一（1），当给定相位中下面开关接通（上面开关断开）时，比特值为零（0）。

三相PWM逆变器模块110接收DC输入电压（Vdc）和开关矢量信号（Sa…Sc）109，并使用它们在以变化速度（ωr）驱动的三相AC电机120的逆变器极点产生三相交流（AC）电压信号波形。

三相电机120接收PWM逆变器110产生的三相电压信号，并以指令扭矩Te* 136产生电动机输出。在该特定实施方案中，电机120包括三相内置式永磁同步电动机（IPMSM）120，但是所公开的实施例可为具有任意数量相位的任意多相AC电机。

尽管图1中未示出，系统100也可包括联接至三相AC电机120的轴并由该轴驱动的齿轮。测量的反馈定子电流（Ia-Ic）122-124被感测、取样和提供给上述abc-αβ转换模块127。

调制指数调节模块

在传统的矢量控制电动机驱动系统中，应用在电机终端的电压可具有相对于指令相位电压的非线性。该非线性由于因逆变器模块110中开关的开关限制，汇流板、电机终端和电缆中的压降等因素引起逆变器模块110和电机120中的非线性而引起。当前没有用于调节指令相位电压以使应用于电机终端的电压基本上对应并匹配指令相位电压的技术。

现在描述实施例，提供用于调节调制指数以使应用于电机终端的相位电压更紧密地匹配电流调节器的指令相位电压的机构。这能减少应用于多相电机的相位电压中的误差，使得可恰当地调节相位电流。因此，可降低电流/转矩振荡，进而提高电机效率和性能，以及DC电压源的利用。

图3为根据所公开实施例的一个实施方案的电压指令调节处理器180的框图。电压指令调节处理器180包括调制指令计算模块182、调制指数查寻表186和电压指令调节模块188。

调制指数计算模块182从电流调节器170接收同步参照系d轴电压指令信号（Vd*）172和同步参照系q轴电压指令信号（Vq*）174、以及DC输入电压（Vdc）139。调制指数计算模块182基于电压指令信号172、174和DC输入电压（Vdc）139计算调制指数（MI*）和电压相角（Vangle）185。调制指数（MI）可定义为标准化基本参考电压（normalized fundamental reference voltage）。如本文所使用的，“调制指数（MI）”为峰值基本相位电压（Vph）相对于最大可用电压的比率。调制指数的范围从0到1。MI可通过下面的公式（3）和（4）定义。

在一个实施方案中，调制指数计算模块182根据下面公式（3）和（4）计算调制指数（MI*）183：

在公式（3）中，Vd和Vq为由电流控制器170输出的d轴电压指令信号（Vd*）172和q轴电压指令信号（Vq*）174。

在一个实施方案中，调制指数计算模块182根据如下公式（5）计算电压相角（Vangle）185：

Vangle = arctan(-Vd*/Vq*)             (5)。

在一个实施方案中，调制指数查寻表186为两维查寻表，其接收调制指数（MI*）183和相位电流（Iph）185，并基于这些输入产生调节后调制指数（MI*_adj）187。在该两维查寻表实施方案中，调节后调制指数（MI*_adj）187是调制指数（MI*）183和相位电流（Iph）两者的函数。相位电流（Iph）185可通过如下公式（6）计算：

。

在另一实施方案中，调制指数查寻表186为一维查寻表，其接收调制指数（MI*）183，并使用该指数产生调节后调制指数（MI*_adj）187。在该一维查寻表中，调节后调制指数（MI*_adj）187是调制指数（MI*）183的函数。为避免两维查寻表，逆变器特征可设在最佳电机操作点。一维调制指数查寻表186将逆变器110性能（例如，IGBT开关限制、和逆变器电压降）特征化在最佳电机操作点，以调节调制指数（MI*）183。在一个实施方案中，逆变器特性如下发生。电机在整个运行转矩-速度范围上操作。例如，每500 rpm阶进（step）和10 Nm阶进。在每个操作点，测量并存储调制指数（MI*）183、电机终端的相位电压（V_AN，V_BN，V_CN）和DC输入电压（V_DC）139。MI测量按如下公式（7）计算：

然后可按如下公式（8）获得调节后调制指数（MI*_adj）187：

MI _ adj* = Interpolation(MI _ Measured, MI*,[0 : 0.01:1])             (8)。

调制指数查寻表186可使用对于特定系统唯一的数据填充。该数据可通过使用功率分析仪在电机操作全谱范围上测量指令相位电压和在电机终端产生的相位电压以及调制指数值来产生，使得系统的非线性行为可被特征化为说明逆变器模块110和电机120带来的非线性。在任一实施方案中，指令调制指数（MI*）183被调节成产生调节后调制指数（MI*_adj）187。调节后调制指数（MI*_adj）187与应用于电机终端的调制指数（相位电压）基本上相匹配。如下所述，调节后调制指数（MI*_adj）187有效调节指令相位电压的大小，以提高应用于电机终端的相位电压的精度（例如，使得应用于电机终端的相位电压与指令相位电压基本上相匹配）。

电压指令调节模块188基于调节后调制指数（MI*_adj）187、电压相角（Vangle）185和DC输入电压（Vdc）139计算调节后同步参照系d轴电压指令信号（Vd_adj*）192和调节后同步参照系q轴电压指令信号（Vq_adj*）194。在一个实施方案中，电压指令调节模块188根据如下公式（9）计算调节后同步参照系d轴电压指令信号（Vd_adj*）192：

。

在一个实施方案中，电压指令调节模块188根据如下公式（10）计算调节后同步参照系q轴电压指令信号（Vq_adj*）194：

。

调节后同步参照系d轴电压指令信号（Vd_adj*）192和调节后同步参照系q轴电压指令信号（Vq_adj*）194考虑了在同步参照系d轴电压指令信号（Vd *）172和同步参照系q轴电压指令信号（Vq*）174中引起非线性的特性，所述非线性可由例如开关限制和逆变器电压降的事件引起。通过使用调节后调制指数（MI*_adj）187计算调节后同步参照系d轴电压指令信号（Vd_adj*）192和调节后同步参照系q轴电压指令信号（Vq_adj*）194，指令相位电压（Vph）（例如，上面的公式（3））的大小可调节成有助于线性化，从而提高最后应用于电机终端的相位电压的精度，进而有助于调节流过各自定子绕阻120a-c的定子电流（Ia-Ic）122、123、124，使得可提高功率和电机效率。

调节后同步参照系d轴电压指令信号（Vd_adj*）192和调节后同步参照系q轴电压指令信号（Vq_adj*）194被提供给同步-固定转换模块102，用于通过对调节后电压指令信号（Vd_adj*，Vq_adj*）192、194执行dq-αβ转换来产生固定参照系电压指令信号（Vα *，Vβ*）104、105。

图4为示出根据一些所公开实施例的用于计算调节后电压指令信号的方法400的流程图。在步骤410，基于电压指令信号和DC输入电压（Vdc）计算调制指数（MI*）和电压相角（Vangle）。在步骤420，基于调制指数（MI*）产生调节后调制指数（MI*_adj）。在步骤430，基于调节后调制指数（MI*_adj）、电压相角（Vangle）和DC输入电压（Vdc）计算调节后电压指令信号。

图5为一组曲线，其在y轴绘出了当相位电流和相位电压的电压相角（Vangle）增大时随x轴上指令调制指数（MI）变化的电机终端上测量调制指数（MI）。在开环电压回路中以每5度的增量从 0到125度的不同调制角扫描电压角和以8000 rpm每0.2的增量从0.9到1.0的扫描MI指令来产生数据。线510示出理想系统中，测量调制指数（MI）与指令调制指数（MI）是相同的。线520是多个曲线530的平均值。线520（和多个曲线530）示出在实际系统中，相位电流的大小影响测量调制指数（MI），使得测量调制指数（MI）不同于指令MI。即便在线性PWM区域这也是真实的。多个曲线530示出在较低大小的相位电流水平，由于IGBT开关限制引起的PWM下降脉冲，测量MI可高于指令MI。在较高大小的相位电流水平，由于逆变器汇流板、电缆和终端中的电压降，测量MI低于指令MI。

图6为示出在电机终端的测量调制指数（MI）610和调节后调制指数（MI*_adj）620的一组曲线。每条曲线都在y轴上示出了当相位电流降低时随x轴上指令调制指数（MI）变化的测量调制指数（MI Measured）。该数据使用固定在105度的电压相角（Vangle）和8000 rpm的电动机速度时从最大到接近于零的扫描MI来产生。图6示出了当应用调节后调制指数（MI*_adj）620时，这引起测量调制指数（MI）610达到理想调制指数630，使得测量MI与指令MI基本上相匹配。

因此，已经描述了用于控制矢量控制电动机驱动系统中的多相电机的操作的各种实施方式。所公开实施例提供了用于调节调制指数以使指令调制指数与测量调制指数之间的关系更加线性的机构。这可减少应用于多相电机的相位电压中的变化/误差，使得更加精确的相位电压被应用于多相电机。另外，在电机操作的线性和过调制区域中都提高了电流调节力度，使得可恰当地调节相位电流。这减少了电流/转矩振荡，有助于增大功率和提高电机效率及性能，并增强DC电压源的利用。

本领域的技术人员会进一步清楚，结合本文所公开实施例描述的各种示例性逻辑框、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。上面根据功能和/或逻辑框组件（或模块）及各种处理步骤描述了一些实施例和实施方案。然而应当清楚，这种框组件（或模块）可通过构造成执行规定功能的任意数量的硬件、软件和/或固件组件来实现。

为了清楚示出硬件和软件的这种可交换性，上面总地根据它们的功能性描述了各种示例性组件、框、模块、电路和步骤。这种功能是实施为硬件还是软件取决于施加在整个系统上的特定应用和设计限制。本领域的技术人员可为各种特定应用以多种方式实施所述的功能，但是这种实施决定不应当解释为脱离本发明的范围。例如，系统或组件的实施例可利用各种集成电路组件，例如内存元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查寻表等，其可在一个或多个微处理器或其它控制装置的控制下实施各种各样的功能。另外，本领域的技术人员会清楚本文所述实施例仅仅是示例性的实施方案。

结合本文所公开实施例描述的各种示例性逻辑框、模块和电路可以使用设计成执行本文所述功能的通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑装置、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件、或它们的任意组合来实施或执行。通用处理器可为微处理器，但可选地，所述处理器可为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可实施为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核心、或任何其它这种构造的组合。

结合本文所公开实施例描述的方法或算法的步骤可直接嵌入硬件、由处理器执行的软件模块、或两者的组合中。软件模块可驻在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可换式盘、CD-ROM或本领域已知的任意其它类型存储介质中。示例性存储介质联接至处理器，使得处理器可从存储介质读取信息和向其写入信息。可选地，存储介质可集成至处理器。处理器和存储介质可存在于ASIC中。ASIC可存在于用户终端中。可选地，处理器和存储介质可存在于用户终端的分立组件中。

本文中，有关术语（例如第一和第二等）仅用来将一个实体或动作与另一实体或动作区分开，并非必须在这类实体或动作之间要求或暗示任何实际的这种关系或顺序。数值序数（例如，第一、第二、第三等）简单地表示多个中的不同一个，并不暗示任何顺序或次序，除非通过权利要求语言具体地限定。任何权利要求中文本的次序都不暗示必须根据这种次序以临时或逻辑的顺序执行程序步骤，除非通过权利要求语言具体地限定。程序步骤可以任意顺序交换，都不脱离本发明的范围，只要这种交换并不与权利要求语言相矛盾并且逻辑上并不荒谬。

另外，依赖于上下文，描述不同元件之间关系的词语，例如“连接”或“联接至”，并不暗示在这些元件之间必须直接物理连接。例如，两个元件可通过一个或多个另外的元件，物理地、电地、逻辑地、或以任何其它方式彼此连接。

尽管在前面的详细描述中已经展现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变形。还应当清楚，所述示例性实施例仅仅是例子，并不意欲以任何方式限制本发明的范围、应用或构造。相反，前面的详细描述会给本领域的技术人员提供实施所述示例性实施例的方便路图。应当理解，在不脱离由所附权利要求及其合法等效物表述的本发明范围的情形下，可对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种用于调节来自电动机驱动系统中电流调节器的电压指令信号的方法，该方法包括：

基于所述电压指令信号计算调制指数；

基于所述调制指数产生调节后调制指数；以及

基于所述调节后调制指数计算调节后电压指令信号。

2.根据权利要求1的方法，其中基于所述电压指令信号计算调制指数的步骤包括：

基于所述电压指令信号和DC输入电压计算调制指数和电压相角。

3.根据权利要求2的方法，其中基于所述调节后调制指数计算调节后电压指令信号的步骤包括：

基于所述调节后调制指数、所述电压相角和所述DC输入电压计算调节后电压指令信号。

4.根据权利要求1的方法，其中基于所述调制指数产生调节后调制指数的步骤包括：

基于所述调制指数和相位电流产生调节后调制指数。

5.根据权利要求1的方法，其中所述多相电机包括电机终端，所述方法还包括：

通过对所述调节后电压指令信号进行dq-αβ转换来产生固定参照系电压指令信号；

基于所述固定参照系电压指令信号产生相位电压指令信号；

基于所述相位电压指令信号产生开关矢量信号；

基于所述开关矢量信号和DC输入电压产生三相交流电压信号波形；以及

向所述电机终端应用所述三相交流电压信号波形，其中所述调节后电压指令信号使得所述相位电压指令信号的大小被调节成基本上匹配应用的电机终端电压V_AN、V_BN、V_CN，而不管所述电动机驱动系统中的非线性。

6.根据权利要求1的方法，其中所述电压指令信号包括同步参照系d轴电压指令信号和同步参照系q轴电压指令信号，且其中所述调节后电压指令信号包括调节后同步参照系d轴电压指令信号和调节后同步参照系q轴电压指令信号。

7.根据权利要求1的方法，其中所述调节后调制指数用于调节所述电压指令信号和产生所述调节后电压指令信号，使得应用的电机终端电压V_AN、V_BN、V_CN与所述相位电压指令信号基本上相匹配。

8.一种电动机驱动系统，包括：

电流调节器；以及

电压指令调节处理器，其设计成从所述电流调节器接收电压指令信号，并产生用于计算调节后电压指令信号的调节后调制指数。

9.根据权利要求8的电动机驱动系统，其中所述电压指令调节处理器包括：

调制指数计算模块，其设计成从所述电流调节器接收电压指令信号，并基于所述电压指令信号计算调制指数；

调制指数查寻表，其设计成基于所述调制指数产生调节后调制指数；以及

电压指令调节模块，其设计成基于所述调节后调制指数计算调节后电压指令信号。

10.在包括具有电机终端和电动机驱动系统的多相电机的系统中，用于控制所述多相电机的方法，该方法包括：

基于从电流调节器提供的电压指令信号和DC输入电压计算调制指数和电压相角；

基于所述调制指数产生调节后调制指数；

基于所述调节后调制指数、所述电压相角和所述DC输入电压计算调节后电压指令信号；

基于调节后电压指令信号产生开关矢量信号，并然后基于所述开关矢量信号和所述DC输入电压产生三相交流电压信号波形；以及

向所述电机终端应用所述三相交流电压信号波形，其中应用于所述电压指令信号以产生所述调节后电压指令信号的调节引起所述相位电压指令信号的大小被调节成基本上匹配应用的电机终端电压V_AN、V_BN、V_CN，而不管所述电动机驱动系统中的非线性。

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