CN103843245B - 电动机的控制装置及控制方法、适用该控制装置及控制方法的电动机以及车辆驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明的电动机的控制装置通过将PWM信号输出至构成逆变器的开关元件来控制电动机的动作，该电动机的控制装置包括：电压指令生成部（21），该电压指令生成部（21）生成以逆变器输出频率（FINV）为基频的正弦波中叠加有该正弦波的3次谐波的重叠波信号，以作为电压指令（Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）；以及PWM信号生成部（23），该PWM信号生成部（23）通过将电压指令生成部（21）所输出的电压指令、与非同步载波信号生成部22所输出的载波信号（CAR）进行振幅比较，从而生成PWM信号（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）。

Description

电动机的控制装置及控制方法、适用该控制装置及控制方法 的电动机以及车辆驱动系统

技术领域

本发明涉及电动机的控制装置及控制方法、适用该控制装置及控制方法的电动机以及车辆驱动系统。

背景技术

以往，对于驱动电动车的电动机的PWM逆变器控制通过多个控制模式来控制，因此在下述专利文献1中记载了如下问题：即、在多脉冲模式下进行脉冲数切换时，会因磁噪声而产生刺耳的音色变化；在三脉冲模式与单脉冲模式切换时电动机的产生转矩发生变动。此外，所谓三脉冲模式是指包含在逆变器输出电压的半周期中的脉冲数始终为三个来运用的模式，所谓单脉冲模式是指包含在逆变器输出电压的半周期中的脉冲数始终为一个来运用的模式。现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2005－137200号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

为解决上述问题，在上述专利文献1中，通过组合多脉冲模式与单脉冲模式来几乎连续地控制输出电压。然而，在该专利文献1中，具有脉冲宽度调制（PWM控制）模式、非同步过调制控制模式、单脉冲控制模式这样多个控制模式，由于需要以该次序依次转移这些控制模式的模式切换控制，因此，存有如下问题：不能说输出电压的控制是完全连续的，会残留从逆变器的开关元件或电动机产生的刺耳磁噪声。

另外，在专利文献1中，由于在高速区域的单脉冲模式下矩形波的电压会施加到电动机，因此认为还存在因高次谐波分量而产生的振动较大的问题。

本发明鉴于上述情况而得以完成，其目的在于提供一种电动机的控制装置及控制方法、适用该控制装置及控制方法的电动机以及车辆驱动系统，能进一步减小刺耳的磁噪声、以及由高次谐波分量引起的振动。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述问题，达成目的，本发明是一种电动机的控制装置，通过对于能将所输入的直流电压转换成任意频率以及任意电压的交流电压的逆变器，将PWM信号输出至构成该逆变器的开关元件，从而来控制电动机的动作，其特征在于，包括：电压指令生成部，该电压指令生成部生成以所述逆变器的输出频率为基频的正弦波中叠加有该正弦波的三次谐波的重叠波信号以作为电压指令；以及PWM信号生成部，该PWM信号生成部通过将所述电压指令生成部所输出的电压指令、与规定的载波信号进行振幅比较，从而生成所述PWM信号。

发明效果

根据本发明，可起到能进一步降低刺耳的磁噪声以及因高次谐波分量而产生的振动的效果。

附图说明

图1是表示包含本实施方式所涉及的电动机的控制装置的车辆驱动系统的一个结构例的图。

图2是表示现有方式下的一般的控制部的一个结构例的图。

图3是说明现有方式下的脉冲模式切换动作的图。

图4是将本实施方式所涉及的电动机控制概念与现有技术进行比较来说明的图。

图5是表示本实施方式所涉及的控制部的一个结构例的图。

图6是表示图5所示的电压指令生成部的一个结构例的图。

图7是表示根据现有技术所涉及的电压指令（调制波）而生成的PWM信号波形的一个示例的图。

图8是表示根据本实施方式所涉及的电压指令（调制波）而生成的PWM信号波形的一个示例的图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式所涉及的电动机的控制装置及控制方法、使用该控制装置及控制方法的电动机以及车辆驱动系统进行说明。此外，本发明并不局限于以下示出的实施方式。

图1是表示包含本实施方式所涉及的电动机的控制装置的车辆驱动系统的一个结构例的图。如图1所示，本实施方式所涉及的车辆驱动系统1包括：至少包含开关、滤波电容器、滤波电抗器的输入电路2、开关元件4a、5a、6a、4b、5b、6b，并具备：逆变器3，该逆变器3将用于驱动电动车的至少1台以上的电动机8相连接而成；以及控制部7，该控制部7分别生成并输出用于对逆变器3所具备的开关元件4a、5a、6a、4b、5b、6b进行PWM控制的PWM信号U、V、W、X、Y、Z。此外，连接于逆变器3的电动机8优选为感应电动机或同步电动机。

另外，图1中，输入电路2的一端经由集电装置11与架空线10相连，另一端经由车轮13与大地电位的轨道12相连。从架空线10提供的直流电或交流电经由集电装置11输入至输入电路2的一端，并且在输入电路2的输出端生成的电力（直流电压）输入（施加）至逆变器3。

逆变器3具有腿部，该腿部分别将由开关元件4a、5a、6a构成的正侧臂部（例如在U相为4a）、以及由开关元件4b、5b、6b构成的负侧臂部（例如在U相为4b）串联连接而成。也就是说，逆变器3中构成有三相桥接电路，该三相桥接电路具有3相（U相、V相、W相）的腿部。此外，开关元件4a、5a、6a、4b、5b、6b优选为内置有反并联二极管的IGBT元件或IPM元件。

逆变器3通过基于从控制部7输出的开关信号（PWM信号）来对开关元件4a、5a、6a、4b、5b、6b进行PWM控制，从而将从输入电路2输入的直流电压转换成任意频率以及任意电压的交流电压，并进行输出。此外，在图1的示例中，示出了腿部数为3（3相）时的结构例，但并不限于该腿部数。

接下来，对本实施方式所涉及的控制部7进行说明，但在这里，首先对现有技术所涉及的一般控制部的结构及动作进行详细说明，来与能以非常简单或简洁的结构来实现、并且具有非常优异的效果的本实施方式所涉及的控制部7进行对比。

图2是表示现有技术所涉及的一般的控制部50的一个结构例的图。如图2所示，现有技术所涉及的控制部50包括：乘法器53、调整增益表54、电压指令生成部55、非同步载波信号生成部57、同步3脉冲载波信号生成部58、开关59、脉冲模式切换部60、以及具备比较器61～63及反转电路64～66的PWM信号生成部51。

电压指令生成部55根据调制比PMF及控制相位角θ并基于以下的式（1）～（3）生成三相电压指令即U相电压指令Vu＊、V相电压指令Vv＊、W相电压指令Vw＊。

Ｖｕ＊＝ＰＭＦＭ·ｓｉｎθ…（1）

Ｖｖ＊＝ＰＭＦＭ·ｓｉｎ（θ－（2·π／3））…（2）

Ｖｗ＊＝ＰＭＦＭ·ｓｉｎ（θ－（4·π／3））…（3）

这里上述式（1）～（3）所含的PMFM是将调整增益表54的输出乘上调制比PMF后得到的电压指令振幅。调整增益表54用于对非同步模式以及同步3脉冲模式，修正逆变器输出电压与调制比PMF的关系不同的情况，概要如下所示。

在非同步脉冲模式下，逆变器所能准确输出的最大电压（有效值）为0.612·EFC，而在同步3脉冲模式下为0.7797·EFC。也就是说，在非同步脉冲模式下，与同步3脉冲模式相比，相对于调制比PMF的逆变器输出电压变为0.7797/0.612=1.274。为了抵消这两者的差，在非同步脉冲模式下，将调制比PMF设为1.274倍，作为电压指令振幅PMFM输入至上述电压指令生成部55。另一方面，在同步脉冲模式下，将调制比PMF设为1.0倍，作为电压指令振幅PMFM输入至上述电压指令生成部55。

另外，与上述各电压指令进行比较的载波信号CAR是通过脉冲模式切换部60的切换由开关59选择出的由非同步载波信号生成部57所生成的非同步载波信号A、由同步3脉冲载波信号生成部58所生成的同步3脉冲载波信号以及对单脉冲模式选出的零值C的信号。此外，同步载波信号将载波信号CAR的频率确定为逆变器输出频率FINV的函数，使得构成逆变器输出电压的脉冲数及其位置在逆变器输出电压的正侧半周期及负侧半周期中相同。另外，非同步载波信号为不是同步载波信号的信号，是与逆变器输出频率FINV无关联地确定的频率的载波信号。

从电压指令生成部55输出的U相电压指令Vu＊、V相电压指令Vv＊、W相电压指令Vw＊分别利用比较器61～63与载波信号CAR比较大小，生成作为其比较结果的PWM信号U、V、W、以及将其比较结果进一步经由反转电路64～66而得到的PWM信号X、Y、Z。此外，通过这些PWM信号U、V、W、X、Y、Z来控制逆变器3，从逆变器3对电动机8提供所期望的交流功率，控制电动机8的动作。

图3是说明现有方式下的脉冲模式切换动作的图。如图4所示，脉冲模式切换部60根据调制比PMF来切换非同步脉冲模式、同步脉冲模式（例如为同步3脉冲模式）以及单脉冲模式。具体而言，在调制比PMF较低的区域（调制比PMF为第1设定值0.785（=1/1.274）以下）将开关59切换成非同步载波A侧；在调制比PMF为第1设定值以上、且小于第2设定值时将开关59切换成同步3脉冲载波B侧；在调制比PMF达到第2设定值的情况下将开关59切换成零值C侧。

如上所述，很难说现有方式下的控制部的结构一定简单。另外，在现有方式下的控制部中必定存在控制模式的切换。因此，如上述问题所示，即使在现有方式的范围内进行改良，也必须进行控制模式的切换控制，无法完全解决留有刺耳的磁噪声的问题。另外，由于在高速区域使用单脉冲模式，因此电动机由于高次谐波分量而产生的振动大于其他模式，存在必须应对振动的缺点。

图4是将本实施方式所涉及的电动机控制的概念与现有技术进行比较来说明的图。图4中，由实线表示的波形是本实施方式所涉及的目标电流（对于电动机的目标电流，下同），由虚线表示的波形是本实施方式所涉及的目标电压（对于电动机的目标电压，下同）。另一方面，由单点划线表示的波形是现有技术所涉及的目标电流，由双点划线表示的波形是现有技术所涉及的目标电压。

如上述及图4所示，现有的电动机控制中，在非同步脉冲模式或同步脉冲模式等多个脉冲模式期间，根据逆变器输出频率（等同于电动机的速度）按比例地增加目标电压，并在单脉冲模式下将目标电压控制成恒定。另一方面，在本实施方式所涉及的电动机控制中，在整个控制区域（若是车辆用电动机则是整个速度区域）中采用单一的控制模式即非同步多脉冲模式（非同步多脉冲控制）。也就是说，在本实施方式中，在整个控制区域，根据逆变器输出频率按比例地增加目标电压，以进行控制。此外，如图4所示，在本实施方式中，与现有技术相比将目标电压设定得较低，将目标电流设定得较高。也就是说，在本实施方式中，通过在整个控制区域采用非同步多脉冲模式（非同步多脉冲控制），将目标电流（电流指令）设定得比现有技术高出无法设定高目标电压（电压指令）的量。提供给电动机的功率与电压和电流的乘积成比例，因此即使目标电压较低，也能提供与现有技术同等（或同等以上）的功率。

接下来，对本实施方式所涉及的控制部7进行说明。图5是表示本实施方式所涉及的控制部7的一个结构例的图。如图5所示，本实施方式所涉及的控制部7包括电压指令生成部21、非同步载波信号生成部22、以及具备比较器31～33和反转电路34～36的PWM信号生成部23而成。通过将图5与图2相比较可知，本实施方式所涉及的控制部7中，无需现有技术所涉及的控制部50中所必须的、乘法器53、调整增益表54、同步3脉冲载波信号生成部58、开关59、以及脉冲模式切换部60，能以极为简单的结构来实现。

另外，图6是表示图5所示的电压指令生成部21的一个结构例的图。如图6所示，电压指令生成部21包括如下部分而构成：三次谐波生成部41，该三次谐波生成部41根据逆变器输出频率FINV生成第三次的高次谐波（以下简称为“三次谐波”）FH_3；以及调制波生成部42，该调制波生成部42基于逆变器输出频率FINV、三次谐波FH_3、调制比PMF以及控制相位角θ，来生成U相电压指令Vu＊、V相电压指令Vv＊、以及W相电压指令Vw＊。在该调制波生成部42中，在以逆变器输出频率FINV为基频的正弦波（或余弦波）叠加有由三次谐波生成部41所生成的三次谐波FH_3，叠加波信号的振幅以及相位分别通过调制比PMF及控制相位角θ来调整，生成作为电压指令的调制波Vu＊、Vv＊、Vw＊并输出至PWM信号生成部23。此外，PWM信号生成部23的动作如上所述。

图7是表示通过现有技术所涉及的电压指令（调制波）生成的PWM信号波形的一个示例的图。图7中，由粗线表示的电压指令波形是图2的电压指令生成部55所生成的任意相（例如为U相）的信号波形，通过该电压指令及三角波（载波信号）生成的信号波形（PWM信号）是图2的PWM信号生成部51所生成的PWM信号波形。

图8是表示通过本实施方式所涉及的电压指令（调制波）生成的PWM信号波形的一个示例的图。图8中，由粗线表示的电压指令波形是图5的电压指令生成部21（或图6的调制波生成部42）所生成的任意相（例如为U相）的信号波形，通过该电压指令及三角波（载波信号）生成的信号波形（PWM信号）是图5的PWM信号生成部23所生成的PWM信号波形。

若将图7与图8的PWM信号波形进行比较，则有如下特征。

（1）在电压指令的振幅较小的区间，t1＞t1'且t5＞t5'，本实施方式的脉冲宽度较宽。

（2）在电压指令的振幅适中的区间，t2＞t2'且t4＞t4'，本实施方式的脉冲宽度稍宽。其中，脉冲宽度的差异在于，相比电压指令的振幅较小时要小。

（3）在电压指令的振幅较大的区间，t3≈t3'，脉冲宽度几乎相等。

通过使用在基波上叠加三次谐波后得到的电压指令来得到与电压指令相关的上述特征。也就是说，通过使用在基波上叠加三次谐波后得到的电压指令，从而与仅使用基波的电压指令的情况相比能增大电压输出。通过该作用，能更简单且有效地在上述那样的整个控制区域中进行非同步PWM控制。

另外，本实施方式的控制装置及控制方法通过与电压指令波形相关的特征、或不发生控制模式切换等结构上的特征，来得到如下所示的效果。

首先，在控制对象为铁道车辆用电动机的情况下，在与过调制之间没有余量的调制比附近（例如为调制比75%附近），即使架空线电压发生突变也无需切换控制模式就能控制调制比，并能提高控制稳定性。

另外，由于能在整个控制区域中进行非同步PWM控制，因此能抑制在整个控制区域的模式切换时、逆变器的开关元件或电动机所能产生的、刺耳的磁噪声。

另外，在本实施方式的控制装置及控制方法中，不需要脉冲模式切换部、调整增益表、同步3脉冲载波信号生成部等，因此，与现有的一般结构相比能简化装置，并能降低装置成本及装置规模。

此外，在应用了本实施方式的控制装置及控制方法的电动机中，即使在高速控制区域也不使用单脉冲模式，因此能降低因高谐波分量而产生的振动。

此外，由于能减少因高次谐波分量而产生的损失，抑制作为电动机的冷却性能，因此能通过重新设计冷却片形状、冷却风路等，来小型化、轻量化。

另外，在本实施方式的控制装置及控制方法中，在整个控制区域进行非同步PWM控制，因此电动机输入电压更接近正弦波，实现控制精度的提高。

此外，在本实施方式的车辆驱动系统中，在以往机械制动器所负担的高速控制区域中，可使用再生制动器，因此能有效地活用再生能源，并能抑制机械制动器的摩擦消耗，从而能延长机械制动器的寿命。

接下来，对本实施方式的逆变器3所具备的开关元件进行说明。一般逆变器3使用的开关元件是以硅（Si）为原材料的半导体开关元件（以下简记作为“Si-SW”）。上述说明的技术能使用该一般的Si-SW来构成。

另一方面，也可以使用近年来备受瞩目的以碳化硅（SiC）作为原材料的半导体开关元件（以下简记作“SiC-SW”）来取代该Si-SW。

SiC-SW的耐压性较高，容许电流密度也较高，因此能使开关元件小型化，通过使用这些小型化的开关元件，从而能使装有开关元件的半导体模块小型化。

另外，SiC-SW的耐压性也较高，因此在需要散热器等冷却机构的开关元件的情况下，能使冷却机构小型化，并能使开关元件模块进一步小型化。

此外，SiC是具有带隙大于Si这一特性、被称作为宽带隙半导体的半导体的一个示例（与此相对，Si被称为窄带隙半导体）。除了该SiC以外，例如氮化镓类材料、或使用金刚石形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性类似于碳化硅的点也较多。因此，使用碳化硅以外的其他宽带隙半导体的结构也构成本发明的技术思想。

[工业上的实用性]

如上所述，本发明适用于能进一步降低刺耳的磁噪声、以及因高次谐波分量而产生的振动的电动机的控制装置。

[标号说明]

1 车辆驱动系统

2 输入电路

3 逆变器

4ａ，5ａ，6ａ，4ｂ，5ｂ，6ｂ 开关元件

7，50 控制部

8 电动机

10 架空线

11 集电装置

12 轨道

13 车轮

21，55 电压指令生成部

22，57 非同步载波信号生成部

23，51 ＰＷＭ信号生成部

31～33，61～63 比较器

34～36，64～66 反转电路

41 3次谐波生成部

42 调制波生成部

53 乘法器

54 调整增益表

58 同步3脉冲载波信号生成部

59 开关

60 脉冲模式切换部

Claims (7)

1.一种电动机的控制装置，通过对于能将所输入的直流电压转换成任意频率及任意电压的交流电压的逆变器，将PWM信号输出至构成该逆变器的开关元件，从而来控制电动机的动作，其特征在于，该电动机的控制装置包括：

电压指令生成部，该电压指令生成部生成以所述逆变器的输出频率为基频的正弦波中叠加有该正弦波的3次谐波的重叠波信号，以作为电压指令；以及

PWM信号生成部，该PWM信号生成部通过将所述电压指令生成部所输出的电压指令、与规定的载波信号进行振幅比较，从而生成所述PWM信号，

所述PWM信号生成部在所述电动机的整个控制区域，输入有非同步的载波信号，

所述PWM信号生成部在所述电动机的整个控制区域，生成并输出在逆变器输出电压的半周期中包含多个脉冲的PWM信号。

2.如权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述电压指令生成部包括：

3次谐波生成部，该3次谐波生成部根据所述逆变器的输出频率生成该输出频率的3次谐波；以及

调制波生成部，该调制波生成部基于所述逆变器的输出频率、所述3次谐波、调制比以及控制相位角来生成所述电压指令。

3.如权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述开关元件及与该开关元件进行反并联连接的二极管元件中至少一个元件由宽带隙半导体形成。

4.如权利要求3所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述宽带隙半导体是使用碳化硅、氮化镓类材料、或金刚石的半导体。

5.一种电动机的控制方法，通过对于能将所输入的直流电压转换成任意频率及任意电压的交流电压的逆变器，将PWM信号输出至构成该逆变器的开关元件，从而来控制电动机的动作，其特征在于，该电动机的控制方法包含：

电压指令生成步骤，该电压指令生成步骤中生成以所述逆变器的输出频率为基频的正弦波中叠加有该正弦波的3次谐波的重叠波信号，以作为电压指令；以及

PWM信号生成步骤，该PWM信号生成步骤中在所述电动机的整个控制区域输入有非同步的载波信号，通过将所述电压指令生成步骤中输出的电压指令、与所述非同步的载波信号进行振幅比较，从而在所述电动机的整个控制区域，生成在逆变器输出电压的半周期中包含多个脉冲的所述PWM信号。

6.一种电动机，其特征在于，使用权利要求1至5中的任一项所述的控制装置或控制方法来控制。

7.一种车辆驱动系统，其特征在于，包括：

权利要求1至4中的任一项所述的控制装置；

由所述控制装置控制的逆变器；

生成输入至所述逆变器的直流功率的输入电路；以及

由所述逆变器驱动的电动机。