CN103563233A - 用于控制多相电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制多相电机的方法，所述多相电机具有一个中间回路和一些相绕组以及每一相一个高边开关和一个低边开关，所述中间回路设有中间回路电容器。由控制单元以控制信号加载分配给各个相的开关。所述控制单元以彼此相继的控制周期提供用于所述开关的脉冲状的控制信号，所述控制信号的脉冲宽度和脉冲开始在一个控制周期内分别如此改变，使得所述中间回路电流减小。

Description

用于控制多相电机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制多相电机的方法。

背景技术

电旋转场驱动是已知的。在此使用如在DE102008042352A1中说明的不同调制方式，例如正弦调制或分组调制或者分组换向。

此外，所谓的起/停系统是已知的。所述起/停系统用于停止和再起动内燃机，例如在交通信号灯处停车时。这样的起/停系统用于降低相应车辆的燃料消耗和废气排放。存在基于传统起动器的起/停系统，其中启动器通过电子控制设备控制并且借助于小齿轮配合到飞轮上的链齿中。此外，具有皮带驱动的启动器发电机是已知的，其基于具有附加电子控制设备的齿形电极发电机工作。

为了可以在车辆制动情形中再生更高的能量，具有更大功率的系统是必要的。为了限制电流使用时钟控制的方法，这些方法需要具有大电容的中间回路电容器的中间回路。中间回路的尺寸确定对于功率电子装置的空间需求往往是决定性的。

发明内容

与之相比，具有在权利要求1中说明的特征的方法具有以下优点：出现的中间回路电流可以比已知的控制方法减少直至40%。所述优点通过一种用于控制多相电机的方法实现，所述多相电机具有一个中间回路和每一相一个高边开关和、一个低边开关以及一个相绕组，所述中间回路设有中间回路电容器，其中由控制单元以控制信号加载分配给各个相的开关，控制单元以彼此相继的控制周期提供用于开关的脉冲状的控制信号，所述控制信号的脉冲宽度和脉冲开始在一个控制周期内分别如此改变，使得中间回路电流减小。

这优选如此发生：控制单元根据平顶方法控制分配给各个相的开关并且在彼此相继的平顶窗中相对地彼此移动用于开关的控制信号。这又优选如此实现：减少正相电流的叠加和/或所述正相电流和负相电流至少部分地相互补偿。通过控制信号的所述移动产生控制模式，基于所述控制模式如此扩宽电流分布，使得减小中间回路电流的有效值并且因此减小中间回路电容器的热负荷。

附图说明

以下根据附图更详细地阐述本发明。附图示出：

图1：用于阐明具有B10桥的五角连接的五相电机的示意图；

图2：用于阐明已知的中间对齐控制模式和在此出现的电流的示图；

图3：在图2中示出的示图的放大局部；

图4：用于阐明五相正弦系统的示图；

图5：用于阐明根据本发明的控制模式和在此出现的中间回路电流的示图；

图6：在图4中示出的五相正弦系统中在一个平顶阶段内细节观察电压大小的示图；

图7：用于阐明根据本发明的改进方案的控制模式和在此出现的中间回路电流的示图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于控制多相电机的方法，所述电机具有一个中间回路和每一相一个高边开关、一个低边开关以及一个相绕组，所述中间回路设有中间回路电容器，其中分配给各个相的开关由控制单元加载控制信号。所述方法不限于电机的确定相数，但随后根据五相电机进一步阐明本发明。

图1示出用于阐明具有B10桥的五星连接的五相电机的示意图。“五星连接（Drudenfuβverschaltung）”理解为以下连接类型：电路的总共五个相绕组如此彼此电连接，使得电路图的形状得到一个五角星。

所示出的电机总共具有五个相连接端A1、A2、A3、A4、A5并且总共具有五个相绕组1、2、3、4、5，其中这些相绕组中的每一个连接在所述相连接端中的两个之间。此外，所示出的电机具有与相连接端连接的功率电子装置LE和电池B。电池B具有正极B+和负极B-。中间回路ZK位于电池B与功率电子装置LE之间，所述中间回路包含中间回路电容器C_ZK。

功率电子装置LE包含五个分支Ph1、Ph2、Ph3、Ph4和Ph5，其中每一个分支具有两个开关的串联连接，其中这些开关中的每一个与一个二极管反并联连接。所述布置在使用常规的场效应晶体管的情况下得到开关，因为其包含反向二极管。然而，原则上也能够使用其他开关元件——例如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

功率电子装置LE的分支Ph1（其包含开关HS1和LS1）在两个开关HS1和LS1之间的连接点处与电机的定子的相连接端A1连接。分支Ph1的开关HS1是高边开关。开关HS1与一个二极管反并联连接。分支Ph1的开关LS1是低边开关。开关LS1与一个二极管反并联连接。开关HS1和LS1由控制单元S以控制信号S1和S2控制。

功率电子装置LE的分支Ph2（其包含开关HS2和LS2）在两个开关HS2和LS2之间的连接点处与电机的定子的相连接端A2连接。分支Ph2的开关HS2是高边开关。开关HS2与一个二极管反并联连接。分支Ph2的开关LS2是低边开关。开关LS2与一个二极管反并联连接。开关HS2和LS2由控制单元S以控制信号S3和S4控制。

功率电子装置LE的分支Ph3（其包含开关HS3和LS3）在两个开关HS3和LS3之间的连接点处与电机的定子的相连接端A3连接。分支Ph3的开关HS3是高边开关。开关HS3与一个二极管反并联连接。分支Ph3的开关LS3是低边开关。开关LS3与一个二极管反并联连接。开关HS3和LS3由控制单元S以控制信号S5和S6控制。

功率电子装置LE的分支Ph4（其包含开关HS4和LS4）在两个开关HS4和LS4之间的连接点处与电机的定子的相连接端A4连接。分支Ph4的开关HS4是高边开关。开关HS4与一个二极管反并联连接。分支Ph4的开关LS4是低边开关。开关LS4与一个二极管反并联连接。开关HS4和LS4由控制单元S以控制信号S7和S8控制。

功率电子装置LE的分支Ph5（其包含开关HS5和LS5）在两个开关HS5和LS5之间的连接点处与电机的定子的相连接端A5连接。分支Ph5的开关HS5是高边开关。开关HS5与一个二极管反并联连接。分支Ph5的开关LS5是低边开关。开关LS5与一个二极管反并联连接。开关HS5和LS5由控制单元S以控制信号S9和S10控制。

在图1中示出的电机的运行中，对于每一个任意时刻适用以下关系：

I_ZK=I_Bat–I_Gen。

在此，发电机电流I_Gen根据功率电子装置的开关的位置由对于其高边开关在相应时刻导通的相的相电流I_1至I_5的叠加得到。

所谓的中间对齐控制（Center-Aligned-Ansteuerung）是已知的。在所述中间对齐控制中，用于电流的时间范围集中到一个小的时间范围上。用于这样的中间对齐控制的控制模式和在此出现的电流在图2中示出的示图中说明。

在此，在图2a中示出了用于开关的控制信号，在图2b中示出了中间回路电流I_ZK，在图2c中示出了在电池正极上施加的电压V_B+，在图2d中示出了电池电流I_Bat并且在图2e中示出了相电流I_X至I_Y。

由图2a尤其清晰可见，在中间对齐控制中控制脉冲的脉冲中点在时间上一致，如其通过图2a中的垂直的虚线所标明的那样。此外由图2a可知，控制脉冲的边缘在时间上彼此推移并且位于一个限制的时间范围中。以文字“空载LS”标明：在所述时间区间中所有低边开关导通。以文字“空载HS”标明：在所述时间区间中所有高边开关导通。以文字“驱动”表达：在所述窄时间窗中通过开关位置将电机连接到外部电压上。由此引起定子绕组中的电流变化。如果控制脉冲位于电压水平16V上，则分别所属的高边开关导通。如果控制脉冲位于电压水平0V上，则分别所属的低边开关导通。

由图2b可知，中间回路电流I_ZK在控制脉冲的边缘的时间范围中经受剧烈变化，如还根据图3进一步说明的那样。

由图2c清晰可见，电池电压V_B+在控制脉冲的边缘的时间范围中也经受剧烈变化，

图2d示出电池电流I_Bat并且图2e示出相电流I_X至I_Y，它们根据分别所属的高边开关的位置贡献或不贡献中间回路电流。

图3示出在图2中示出的示图的放大局部。在此，在图3a中又示出了用于开关的控制信号，在图3b中示出了中间回路电流I_ZK，在图3c中示出了施加在电池正极上的电压V_B+，在图3d中示出了电池电流I_Bat并且在图3e中示出了相电流I_X至I_Y。

由图3b清晰可见，中间回路电流I_ZK通过电池电流I_Bat与所述一个或多个分别激活的相电流的叠加形成，并且在属于相连接端X、U和W的高边开关接通的情况下高的中间回路电流流过，所述中间回路电流在当前示例中为大约-420A，而电池电流为大约80A并且有效相电流为大约200A。

鉴于上述由图2和图3得知：在使用已知的中间对齐控制时在中间回路中出现电流跳跃，其与各个开关事件在时间上相关。在图2中示出的空载时间期间，即在所有高边开关或者低边开关闭合时，I_Gen=0。因此适用于中间回路电流：I_ZK=I_Bat。在所述阶段中，对中间回路电容器进行再充电。在控制阶段中，电流累加。

对于中间回路电容器的功率损耗考虑，有效电流是决定性的。适用以下关系：

$X={(\frac{1}{T}\·\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{x\left(t\right)}^2\·\mathrm{dt})}^{1/2}.$

电容器电流的算术平均在忽略自身损耗的情况下为0。如果电流强烈累加，即如果电流变化过程趋向“峰值”，则有效值强烈增大。由于有效值的所述强烈增大，中间回路电容器的热负荷是高的。在根据本发明的方法中避免了如在使用中间对齐控制中出现的这样的高热负荷。

在根据本发明的方法中，通过新的控制模式拉宽电流分布并且因此减小中间回路电流的有效值和中间电流电容器的热负荷。

图4a示出用于说明五相正弦系统的示图，如其在本发明中所使用的那样，其中在所述示图中与在图2和3中示出的示图相比相顺序改变。在此沿着横坐标绘制以π为单位的角度而沿着纵坐标绘制用于开关控制的额定电压预给定。所属的相电流以U、V、W、X和Y表示。上边界值以G_o表示而下边界值以G_u表示。这些边界值在图4a中通过虚线示出。上边界值G_o略小于最大的正额定电压值。另一边界值G_u略大于最小的负额定电压值。

如下求取所述的边界值：

G_o=U_额定_幅度*cos(360°/4*PZ)

G_o=-G_u,

其中PZ是电机的相数。

在本发明中，控制单元以彼此相继的控制周期提供用于开关的脉冲状的控制信号，所述控制信号的脉冲宽度和脉冲开始在一个控制周期内分别如此改变，使得中间回路电流减小。

这例如根据平顶方法（Flattop）发生。在所述方法中彼此相继地接通确定的开关，如以下阐明的那样。

在图4a中标记了角度区间或者平顶窗α1、…、α10，其中在以下意义上存在电压预给定：分配给一个电流相的额定电压值或者大于上边界值G_o或者小于下边界值G_u。如果分配给一个电流相的额定电压值大于上边界值G_o，则在所属的角度区间中导通所属的高边开关。如果与之相反地分配给一个电流相的额定电压值小于下边界值G_u，则在所属的角度区间中导通所属的低边开关，如以下根据图4b阐明的那样。

这说明通过正弦/三角比较产生用于正弦换向的电机的控制模式。通过以分别在平顶/窗转换的时刻进行转换的偏移因子加载三角函数，自动得到10个参与的开关的旋转导通。正弦形信号相应于额定电压预给定。

由图4a和4b清晰可见：

·在角度区间α1中，相X的高边开关接通；

·在角度区间α2中，相V的低边开关接通；

·在角度区间α3中，相W的高边开关接通；

·在角度区间α4中，相U的低边开关接通；

·在角度区间α5中，相Y的高边开关接通；

·在角度区间α6中，相X的低边开关接通；

·在角度区间α7中，相V的高边开关接通；

·在角度区间α8中，相W的低边开关接通；

·在角度区间α9中，相U的高边开关接通；

·在角度区间α10中，相Y的低边开关接通。

对于电流和电压的相移可以有意义的是，向右或向左移动角度区间α1-α10，其中在当前情形中最大移动18°、一般移动360°/(4*相数)是可能的。

在这些角度区间中的每一个中，除属于分别导通的开关的相电流以外所有其他相电流用于减小中间回路电流。这通过以下方式发生：控制单元通过适合的控制模式如此相对地彼此移动所述其他相电流，使得最终的中间回路电流减小。这可以通过以下方式实现：如此进行所述其他相电流的移动，使得减小正相电流的叠加，和/或如此进行所述其他相电流的移动，使得正相电流和负相电流至少部分地补偿。

图5示出用于说明根据本发明的控制模式的示图和在此出现的中间回路电流。在此在图5a中示出了控制模式并且在图5b中示出了在此出现的中间回路电流。由图5a清晰可见，对于分别所属的开关分配给相的控制脉冲在时间上彼此分开，即彼此不叠加。由图5b清晰可见，随着根据图5a的每一个开关过程在中间回路中流过相应的均衡电流。因此，中间回路电流的绝对值比在图2b中示出的中间回路电流减小大约30%并且因此显著减小。所述减小归因于：不再由于相电流的系统叠加出现中间回路电流的剧烈过高。

在另一优化步骤中，除此之外可以消除在图5b中示出的中间回路电流的在正方向上走向的电流峰值。这根据图6阐明，图6示出在图4中示出的五相正弦系统中在一个平顶阶段内电压大小的细节观察的示图。在图6中示出的示图中又沿横坐标是以π（Phi）为单位的角度而沿纵坐标是用于正弦控制的额定值预给定U_Soll。相电流又以U、V、W、X和Y表示。上边界值以G_o表示，并且下边界值以G_u表示。这些边界值在图6中通过虚线示出。在图6中示出的角度范围位于0与0.2π之间并且大约等于在图4a中示出的角度范围α1。在所述范围α1中，相X的高边开关接通，从而相X由于所使用的平顶方法由所有时钟排除。其他相电流、即分配给相V、W、X和Y的相电流在所述角度区间中用于减小中间回路电流。出于减小中间回路电流的目的，尝试引起以下状态：中间回路电流总是在其零线附近运动。在此，引起电池电流相加的电流部分尤其是干扰性的。

例如由图6清晰可见，属于相U和V的相电流分别提供正电流量值，其在相加的情况下会导致中间回路电流的不期望的增大。

通过以下方式避免属于相U和V的相电流的不期望的叠加：在一个控制周期内以适合的方式移动所属的控制脉冲。所述移动可以在不限制正弦换向的作用的情况下在一个控制周期内任意实现。因此，如果如此相对地彼此移动其两个开关在目前的平顶窗内不接通的相的控制，使得避免正相电流或负相电流的叠加和/或正相电流和负相电流至少部分相互补偿，则可以再次减小有效中间回路电流。

因此由图6清晰可见，在角度位置Phi=0处存在电流大小的以下瞬时值：

I_V=0A

I_X=9.51A

I_U=5.88A

I_W=-5.88A

I_Y=-9.51A

由于相W和U的同时控制，所属的相电流I_W和I_U相互消除。此外，在所述角度位置处相电流I_X和I_Y也消除，从而发电机电流I_Gen（参见图1）总体上是0A并且因此不导致中间回路电流的不期望的增大。

此外由图6得知，在角度位置Phi=0.1处存在电流大小的以下瞬时值：

I_U=3.09A

I_X=10A

I_V=3.09A

I_W=-8.09A

I_Y=-8.09A

图7示出根据本发明的以上所述的改进方案的用于说明控制模式的示图，根据所述改进方案如此进行正相电流和负相电流的叠加，使得中间回路电流减小，并且示出用于说明在此出现的中间回路电流的示图。在此在图7a中示出了控制模式并且在图7b中示出了在此出现的中间回路电流。相比于图5b清晰可见，不再存在中间回路电流的正峰值。相比于图2b清晰可见，中间回路电流的最大幅度减小并且中间回路电流的分布扩宽。

图5和7关于相应示出的角度位置不同地选择并且因此不可直接相互比较。然而在图7中正确地说明了所期望的效果——避免如在图5b中示出的中间回路电流的正峰值。

鉴于上述，根据本发明提供一种用于控制多相电机的方法，所述方法导致在五相电机中直至40%的数量级的有效中间回路电流减小。

Claims (8)

1.一种用于控制多相电机的方法，所述多相电机具有一个中间回路和一些相绕组以及每一相一个高边开关和一个低边开关，所述中间回路设有中间回路电容器，其中，由控制单元以控制信号加载分配给各个相的开关，其特征在于，所述控制单元（S）以彼此相继的控制周期提供用于所述开关（HS1-HS5，LS1-LS5）的脉冲状的控制信号（S1-S10），所述控制信号的脉冲宽度和脉冲开始在一个控制周期内分别如此改变，使得所述中间回路电流减小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制单元根据平顶方法控制所述分配给各个相的开关（HS1-HS5，LS1-LS5）以及在彼此相继的平顶窗中相对地彼此移动用于所述开关的控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述控制单元（S）如此彼此移动用于所述开关（HS1-HS5，LS1-LS5）的控制信号，从而避免所述中间回路中的正相电流或负相电流的叠加。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制单元（S）如此彼此移动用于所述开关（HS1-HS5，LS1-LS5）的控制信号，使得所述中间回路中的正相电流和负相电流至少部分地相互补偿。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述平顶窗的数量等于所述电机的相数的两倍，彼此相继的平顶窗分别在高边与低边之间交替，并且一个平顶窗分别位于一个分别所属的电压预给定的正最大值或负最大值的范围中。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述平顶窗的数量等于所述电机的相数，所述平顶窗仅仅涉及高边或低边，并且一个平顶窗分别位于一个分别所属的电压预给定的正最大值或负最大值的范围中。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述控制单元彼此相继地接通分配给所述各个电流相的高边开关和低边开关（HS1-HS5，LS1-LS5），其中，如果所属的电压额定值大于一个上边界值（G_o），则导通分配给一个电流相的高边开关，如果所属的电压额定值小于一个下边界值（G_u），则导通分配给一个电流相的低边开关。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其特征在于，通过在时间上移动所述相的控制信号来减小所述中间回路电流，所述控制信号分配给目前未接通的相。

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