CN104010868A

CN104010868A - 具有扭矩误差检测器的驱动逆变器

Info

Publication number: CN104010868A
Application number: CN201280063720.1A
Authority: CN
Inventors: P·A·马涅; J-L·琳达
Original assignee: Conception et Developpement Michelin SA; Societe de Technologie Michelin SAS
Current assignee: Conception et Developpement Michelin SA; Societe de Technologie Michelin SAS
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-08-27
Also published as: FR2985112A1; EP2794336A1; US20140346985A1; WO2013092752A1; FR2985112B1

Abstract

本发明涉及一种用于驱动安装在道路车辆中的电动机的逆变器。所述逆变器包括：至少一个传感器，用于测量在所述逆变器内的至少一个电压和至少一个电流；存储模块，用于记录在所述电动机的电气旋转期间测量的值；用于在所述电气旋转后基于记录的所述值来计算平均电功率的模块；用于利用在所述电气旋转期间的所述平均电功率和所述电动机的旋转速度，来计算在所述电动机的输出轴上产生的扭矩的模块；用于确定在所产生的扭矩与所述逆变器的参考扭矩之间的差的模块；以及用于在所确定的差大于预定阈值的情况下校正扭矩误差的模块。

Description

具有扭矩误差检测器的驱动逆变器

技术领域

本发明涉及电动机及其控制。本发明更具体地涉及用于驱动这种电动机的逆变器。

本发明特别适合于采用电动机的机动车辆的领域，该电动机被特别用于执行牵引功能。本发明特别涉及具有机动化车轮的道路车辆或具有中央电动机的道路车辆。

背景技术

已知的是，同步电动机(例如机动车辆中使用的同步骤电动机)在定子上包括磁路和用于导电并且能够生成定子磁通的电线绕组，并且在转子上包括永磁体或电磁体和生成转子磁通的磁路；这种电动机装备有给出转子相对于定子的位置的旋转变压器。这种电动机总是与逆变器相关联，以便于确保对所述电动机的驱动。本领域技术人员应当知晓，实际上这种电动机是可逆的，换言之，它也可以用作交流发电机。在下文中引用了电动机的时候，这是为了容易引用的目的而这么做，并且应当理解的是，在本发明的上下文中并不需要在作为电动机的操作和作为交流发电机的操作之间进行区分。

在非常大量的应用中，特别是在机动车辆中，电能源是直流源，例如电池或者燃料电池，该能量由DC电力母线输送。在这种情况下，用于驱动电动机的逆变器包括将DC信号转换为具有适合于电动机的运行设定点(setpoint)的幅值和频率的AC信号的逆变器。与永磁同步电动机相关联的三相逆变器的任务是利用DC电力馈入在电动机输出轴处生成期望的机械扭矩。

在大多数需要大功率的应用中，使用三相机器。运行原理如下：由绕组中的电流建立的电动机定子磁场与由磁体建立的转子磁场之间的交互产生机械扭矩。利用DC供电电压并借助于功率晶体管的三个分支，逆变器产生三相电流的系统，所述三相电流具有适当的幅值、适当的频率和相对于转子场的适当的相位，以便于对电动机的三相进行馈电。为了控制电流的幅值，逆变器具有电流传感器，该电流传感器使得获知电动机的每相的电流成为可能。为了控制电流的频率和相位，逆变器接收测量转子相对于定子的位置的旋转变压器的信号。

基于对电动机的扭矩-电流的建模，逆变器确定电动机的相电流的设定点，并且借助于逆变器的调节器来实施这些设定点。因此，逆变器不是控制扭矩，而是控制电动机的电流，而这可能阻碍对特定故障的检测。例如在逆变器中或电动机中的部件故障的情况下，因此可能有如下情况：电流在逆变器看来是被正确地控制，但在电动机轴上却没有产生预期的扭矩。

在电动机执行牵引功能的情况下，重要的是，逆变器-电动机系统在不具有不可控的响应的情况下遵循操作者的意图，特别是在故障的情况下，该故障例如可能导致生成不合时宜的加速或制动扭矩。在机动车辆具有机动化车轮，且包括至少两个各自装备有电动机的车轮的具体情况下，保证电动机的运行特别重要，以便于避免车轮的恶劣行为，该车轮的恶劣行为可能导致车轮之间的非期望的差动扭矩，并导致司机失去对车辆的控制。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提出一种驱动逆变器，所述驱动逆变器使得能够检测任何电动机或逆变器的故障。本发明的进一步的目的是提出一种驱动逆变器，所述逆变器使得能够校正这些潜在的故障。

因此，本发明涉及一种逆变器，所述逆变器用于驱动安装在道路车辆中的电动机，所述逆变器包括：

-至少一个传感器，用于测量在所述逆变器内的至少一个电压和至少一个电流，

-存储模块，用于记录在所述电动机的电气旋转期间测量的值，

-用于在所述电气旋转之后基于记录的所述值来计算平均电功率的模块，

-用于利用在所述电气旋转期间的所述平均电功率和所述电动机的旋转速度，来计算在所述电动机的输出轴上产生的扭矩的模块，

-用于确定在所产生的扭矩与所述逆变器的设定点扭矩之间的偏差的模块，以及

-用于在所述偏差大于预定阈值的情况下校正扭矩误差的模块。

有利地使用所确定的偏差的绝对值以便执行与所述阈值的比较。

在本发明的优选实施例中，所述预定阈值例如是大约5Nm。然而，该值在不同的车辆之间可能有所不同，并且例如基于每个车辆在异常情况下的行为来确定该值。

在特别实施例中，所有存储和计算操作不是在电气旋转期间进行的，而是在旋转变压器旋转期间进行的。为了从旋转变压器的旋转期间进行的测量中获得绝对电气位置，旋转变压器的旋转必须是电气旋转的整数倍。在具有三对或四对极的电机中，因此可以使用具有一对极的旋转变压器。在旋转变压器的旋转期间的数据获取因此对应于三个或相应的四个电气旋转期间的获取。这样的实施例具有许多优点。一方面实现更方便的实施方式，另一方面，由于计算出的平均值因此是从更大数量的值中计算出来的，而这可以提高计算的准确度，所以实现更高的精确度。

例如所述存储模块包括用于记录在第一电气旋转期间或在第一旋转变压器旋转期间进行的测量的第一存储器，以及用于一旦在所述第一电气旋转或第一旋转变压器旋转之后已经触发所述平均功率的计算则记录在第二电气旋转期间或在第二旋转变压器旋转期间进行的测量的第二存储器。

如上所述，根据本发明的驱动逆变器将直流转换为三相电流。因此在DC母线处和三相电流处都可以获取测量结果并且估计所述扭矩。

在特别实施例中，逆变器因此包括至少一个母线电压传感器U_dc和至少一个母线电流传感器I_dc。由这些传感器提供的测量结果的获取与存储因此使得确定直流上的平均功率成为可能，利用该功率来确定产生的扭矩。

在与以上实施例不同的另外的特别实施例中，逆变器包括使得能够测量在逆变器的输出处的至少两相电流以及DC母线上的电压的传感器。利用相电流测量结果I_a和I_c(见下面所述图1)、利用母线电压(U_dc)并且利用脉宽调制器的相应指令(PWM-A、PWM-B、PWM-C)来计算在逆变器的三相输出处的电功率。在该实施例中，因此利用三相电功率来确定产生的扭矩。

在特别实施例中，驱动逆变器还包括用于从所述平均电功率中减去测量的损耗的模块。取决于所使用的电功率，不减去相同的损耗。实际上，DC功率是在逆变器的输入处测量的，并且必须从所述DC功率中减去逆变器损耗、电动机损耗和三相线路中的损耗中的全部。相比之下，三相功率是在逆变器的输出处测量的，并且因此仅需要从该功率中减去电动机损耗和在三相线路中的损耗。具体而言，这些损耗包括在电动机中和在三相线路中的铁耗、变速器损耗和焦耳损耗。

在另一个特别实施例中，逆变器包括用于在测量的值被记录之前，基于所述电动机的转速来对所述值进行采样的模块。实际上，如下面所述，能够对所述值进行采样是有用的，便于限制获取的值的数量，并且因此限制逆变器的存储模块的大小。

在另外的实施例中，逆变器包括用于利用设定点电流并利用电动机的转子温度来计算设定点扭矩的模块。

此外，在实施例中，逆变器包括用于将所产生的扭矩与测量的扭矩之间的偏差传送到安装在道路车辆中的电子监控设备的模块。在另外的实施例中，逆变器包括用于传输检测到的故障的状态的模块，所述状态基于该偏差来确定。实际上，特别在车辆具有机动化车轮的情况下，如果电子设备监视车辆的一般行为，那么如果该设备具有涉及检测到的故障的信息，特别是涉及扭矩误差的信息，将是有用的，以便于可以命令在另一车轮上的校正行动。

在特别的实施例中，所述扭矩误差校正模块包括用于停止所述电动机的模块。实际上，如果检测到扭矩误差，这就意味着实际产生的扭矩与设定点扭矩不同。在车辆具有机动化车轮的情况下，不同电动机的设定点扭矩相等或至少相互关联。如果产生的多个扭矩中的一个扭矩与设定点扭矩不对应，那么这因此可以导致车辆不稳定，例如车辆具有施加在车辆的两个前轮上的差别很大的扭矩，这可导致非常危险的状况。在这种情况下，较可靠的应变情况在于完全撤销在其中检测到故障的电动机上的扭矩，例如通过完全停止电动机来实施该撤销。例如通过阻止对电力部件实施PWM-A、PWM-B、PWM-C指令来命令该停止。在此应当注意的是，在车辆具有机动化车轮的情况下，电动机仅在单个车轮上起作用。

在另外的特别实施例中，所述扭矩误差校正模块包括用于停止电动车辆的模块。例如通过车辆的电子监控设备来控制用于停止车辆的模块，并且驱动逆变器具有用于与该电子监控设备进行通信的模块。

因此，本发明还涉及一种被设计为安装在车辆中的电子监控设备，所述车辆至少包括用于驱动车轮的一个第一子系统和一个第二子系统，每个子系统包括至少一个根据本发明所述的逆变器、车轮和安装在所述车轮上的电动机。

这种电子监控设备包括：

-用于接收由安装在所述第一子系统中的传感器执行的测量结果的模块，

-用于基于接收到的所述测量结果来确定所述车辆中的异常的模块，

-用于基于所述异常并且基于预定策略的集合来确定将在所述车辆中实施的校正行动的模块，以及

-用于向安装在所述第二子系统中的所述逆变器传输对应于所述校正行动的设定点的模块。

在特别的实施例中，所述监控设备还包括用于访问包括所有预定策略的数据库的模块。

在特别的实施例中，所述预定策略被包括在由下列构成的组中：用于监控数据总线的策略、用于监控车辆的牵引的策略、用于监控车辆的悬架的策略、用于监控安装在所述车辆中的DC电源的状态的策略、用于监控在电动机和冷却系统中的温度的策略以及用于监控所述车辆的传感器的策略。

附图说明

通过对由以下附图说明的、优选而非限定性的实施例的以下说明，本发明的另外的目的和优点将变得清晰，在附图中：

图1示出了在三相电动机上分支的驱动逆变器的方框图，

图2以方框图的形式示出了设定点扭矩的计算，

图3以方框图的形式示出了在电动机输出轴上实际产生的扭矩的计算。

具体实施方式

图1示出了在三相电动机6上分支的驱动逆变器10。该逆变器10包括下面描述的不同元件。设定点生成器1使得基于扭矩C_请求和系统的限制(母线电压和电势差U_dc和I_dc，电动机旋转速度Ω和转子相对于定子的角位置Θ)来确定待实施的设定点I_d和I_q成为可能。基于这些设定点I_d和I_q，可以通过扭矩估计器4来确定待产生的扭矩C。可以基于该待产生的扭矩并基于电动机旋转速度Ω，来计算待产生的功率。

此外，逆变器10包括设备2，所述设备2使得能够基于由旋转变压器7提供的要素并基于施加的处理5来控制设定点电流I_d和I_q。实际上，旋转变压器7将与转子相对于定子的角位置相对应的角度转换为以两分量(正弦分量和余弦分量)的形式的电设定点，并且处理5使得执行逆操作以便于得到转子角度值和电动机转速成为可能。基于这些要素，设备12可以生成三个信号PWM-A、PWM-B和PWM-C，所述信号将被功率电路3转换为旨在供应给电动机6的三相信号。

在这种设备中，有用的是，保护所执行的计算中的一些计算，以便于保证可靠运行。因此，检测产生的扭矩上的误差或扭矩上的异常波动是有用的。

由于电动机的构造，在电气旋转期间观察到大约几个百分点的轻微的扭矩波动是正常的。由于功率的平衡，因扭矩波动而引起的输出机械功率的波动也被转化为系统输入处的电功率的波动。因此利用在至少一个电气旋转期间的平均机械功率来计算在电动机的输出轴上产生的扭矩。为此，逆变器包括计算模块30(见图3)和测量母线电压U_dc和母线电流I_dc的传感器，以使得确定输入电功率成为可能。在此应当注意的是，在位于直流处，换言之，位于变换器的输入处确定电功率的情况下，实施该具体说明。然而，当在位于三相电流处确定电功率的情况下，类似模块可能是详尽的。

对输入电功率的该确定分两个步骤执行。在第一步骤中，将在至少一个电气旋转期间采样的母线电压和母线电流的测量结果填充到记录在逆变器的存储器中的第一表格。在此应当注意的是，在电机中，由于电气旋转取决于极对的数量，所以机械旋转并不一定与电气旋转相对应。在包括两个极对的机器中，因此一个机械旋转对应于两个电气旋转。在本发明的一实施例中，在旋转变压器旋转期间获取测量结果，以便于获得足够完整的、并且可以从中推断出潜在扭矩误差或潜在波动的信息。因此，在电气旋转期间，逆变器以每100毫秒一个测量结果的速率在表格中记录测量的值。

在以下说明中，将使用术语“电气旋转”，然而本领域技术人员应当理解，在此详述的示例也适用于使用旋转变压器旋转的情况。

然而在电机低速旋转的情况下，每100毫秒的采样会导致极大的表格。例如，对于500rpm的速度，如此采样可以导致1200个值的记录。因此在优选的实施例中，因此使用例如200个值的固定大小的表格，并且根据电动机的旋转速度对值进行子采样。例如，对于在500rpm到1500rpm之间的速度，逆变器相对于基础采样仅在六个值中获取一个值，换言之，每600毫秒一个值。对于在1500rpm到3500rpm之间的速度，逆变器仅在三个值中获取一个值，换言之，每300毫秒一个值。相比之下，对于大于3500rpm的旋转速度，可以每100毫秒获取一个值。

当电气旋转过去时，开始第二步骤。在该时刻，开始对记录在第一表格中的数据的处理。将在下面的段落中描述该处理。同时，根据相同的规则，在之后的旋转期间继续值的获取，并且将值记录在第二表格中。在实施例中，只使用两个表格，这意味着在第三电气旋转期间获取的值将被记录在第一表格中，代替并取代已经同时被处理的值。

基于记录在第一表格中的该数据，可以通过使用公式“功率＝母线电流*母线电压”，并且通过将结果在采样时间上进行积分来计算平均功率30。该功率是平均输入电功率。为了能够计算在电动机轴上的输出处的机械扭矩，必须得实际消耗的机械功率。在实施例中，对应于简化方案，基于平均电功率并且基于电动机旋转速度来计算机械扭矩。转而基于对旋转变压器提供的信号执行的测量和处理来确定该旋转速度(方框5)。

在进一步的实施例中，逆变器包括用于向电功率施加任意得率(yield)以便于评估机械功率的模块，所述机械功率将用于机械扭矩的计算。

在又一个进一步的实施例中，逆变器包括用于从计算的平均电功率中减去电动机损耗的和31的模块。该方法必定需要更多的计算时间，但是却使得获得更高的精确度成为可能。

电动机损耗包括：

-电动机铁耗32。铁耗一方面取决于电频率，因此取决于旋转速度，另一方面取决于电动机电流。为了简化计算，基于与使铁耗误差最小的平均充电电流相对应的电动机铁耗，并且基于电动机旋转速度Ω，来评估本实施例中的铁耗，

-取决于电动机电流I_mot的变速器损耗和线缆损耗33，

-电动机的焦耳损耗34，该焦耳损耗是利用焦耳损耗35，根据180℃(其被转置用于测量的或评估的绕组T的工作温度)下的绕组的电动机电流来计算的。

如果在旋转期间的平均机械功率是已知的，那么必须将该功率除以(图3中的方框36)电动机速度，以便于确定在电动机的输出轴上的实际产生的扭矩(或测量的扭矩)。

此外，逆变器包括用于确定将要产生的扭矩的模块，如借助于图2所述那样。在第一步骤中，利用设定点电流I_d和I_q来计算(方框20)在大约50℃的转子温度下的发动机扭矩。如果转子温度增高，则由于磁体剩磁电感的负温度系数，电磁扭矩降低。在具有强温度系数的钕铁硼(NdFeB)型永磁体的情况下，这种现象特别显著。

为了考虑这种降低，基于实际转子温度来补偿(方框21)在大约50℃的转子温度下的扭矩。为此，对该转子温度进行估计(方框22)。

在示例中，将要被用于用信号表示故障的设定点扭矩就是因此计算的待产生的扭矩。在进一步的示例中，设定点扭矩是如所指示那样计算的将要产生的扭矩与在当前时刻待产生的扭矩之间的平均值减去1得到的值。

因此可以计算设定点扭矩与实际产生的扭矩或测量的扭矩之间的偏差。如果该偏差太大，特别是大于预定值，那么这就表示在驱动逆变器中或在电动机中存在故障，并且因此表示对电动机扭矩的控制缺失。

不一致的电动机扭矩导致与司机意愿相独立的不合时宜的加速或制动，在车辆的行为方面这是非常危险的，并且因此必须不惜一切代价来避免。因此，如果逆变器检测到指示故障的偏差，那么逆变器命令用于校正误差的行动。例如该校正行动是停止电机的行动，因此引起谈及的车轮靠惯性转动。

在具体实施例中，补充校正行动可以由以下行动组成：向车辆的组合监控元件传输故障信令，所述监控元件因此可以命令用于停车的行动或对车辆的另一车轮的校正行动。

在刚刚描述的检测过程中使用平均值，而因此这可能导致故障未被检测到。在另一个实例中，根据本发明所述的逆变器因此也用于检测扭矩波动。实际上，可能的是，在电动机的输出轴上实际产生的扭矩平均起来接近设定点扭矩，但是该实际产生的扭矩具有到更高或更低范围的波动。这些波动例如可以是电路元件故障的征兆，如果不命令采取校正行动，该故障会随着时间在系统功能上引起严重后果。

扭矩波动的检测使用与扭矩误差的检测相同的测量值。如上所述，因此利用电气旋转期间测量的值填充表格，但是对数据执行的处理不同。实际上，为了检测扭矩波动，必须计算利用母线电压值与母线电流值所对应的每个存储的扭矩计算的平均电功率与瞬时电功率之差的绝对值在获取时间段上的平均值。接着将该差的绝对值的平均值表示为绝对扭矩值，即将每个功率的差都除以旋转速度，或者将该差的绝对值的平均值表示为平均电功率的百分比。

如果该平均值作为绝对值或百分比大于预定值，那么这意味着系统中出现故障，并且接着由逆变器命令采取校正行动。例如该校正行动包括停止电机并且因此使谈及的车轮靠惯性转动。

如上所述，通过将测量的平均功率除以电动机的旋转速度来确定产生的扭矩。如果电动机以非常低的速度运行，估计的扭矩将会趋向非常大的值。在这种情况下，测量中或者损耗估计中最轻微的不精确都可以导致对产生的扭矩的错误估计，并且因此导致误差的误检测。因此，在具体实施例中，如果旋转速度低于预定值，则去激活用于校正扭矩误差的模块。

在另一优选实施例中，如果扭矩设定点的动态变化量变得过高，则去激活用于校正扭矩误差的模块。事实上，如前所述，在至少一次电气旋转期间执行测量和计算，并且由此如果操作点(速度、扭矩)在被考虑的旋转期间保持稳定，则这个测量和计算能够相对精确。

本发明不排除用于检测扭矩误差的模块和用于检测扭矩波动的模块的结合使用。同样地，本发明不排除用于校正这些相同参数的模块的结合使用。另外，在这种结合使用的情况下，各个模块可以是分开的或组合的。

通常，根据本发明的驱动逆变器可以应用在机动车辆的综合监控设备中，该综合监控设备实施用于检测或者校正扭矩误差的策略，或者根据本发明的驱动逆变器可以用于检测或校正异常的扭矩波动，校正行动可以施加在与执行了检测的车轮不同的车轮上。

Claims

1.一种安装在道路车辆中的电动机(6)的驱动逆变器(10)，所述逆变器包括：

-至少一个传感器，其用于测量在所述逆变器内的至少一个电压和至少一个电流，

-用于在所述电气旋转后基于所记录的值来计算平均电功率的模块，

-用于利用在所述电气旋转期间的所述平均电功率和所述电动机的旋转速度，来计算在所述电动机的输出轴处所产生的扭矩的模块，

有利地使用所确定的偏差的绝对值以便于执行与所述阈值的比较。

2.根据权利要求1所述的驱动逆变器，包括至少一个母线电压传感器和至少一个母线电流传感器。

3.根据权利要求1所述的驱动逆变器，包括至少两个相电流传感器和至少一个母线电压传感器。

4.根据之前权利要求中的任一项所述的驱动逆变器，包括用于从所述平均电功率中减去在所述电动机中所测量的损耗的模块。

5.根据之前权利要求中的任一项所述的驱动逆变器，包括在所测量的值被记录之前，基于所述电动机的转速来对所述值进行采样的模块。

6.根据之前权利要求中的任一项所述的驱动逆变器，其中，所述扭矩误差校正模块包括用于停止所述电动机的模块。

7.根据权利要求6所述的驱动逆变器，其中，所述存储模块包括用于记录在第一电气旋转期间或在第一旋转变压器旋转期间执行的测量的第一存储器，以及用于一旦所述平均功率的计算已经被触发则记录在第二电气旋转期间或在第二旋转变压器旋转期间执行的测量的第二存储器。

8.根据之前权利要求中的任一项所述的驱动逆变器，其中，所述扭矩误差校正模块包括用于停止电动车辆的模块。

9.根据之前权利要求中的任一项所述的驱动逆变器，包括用于将所产生的扭矩与所测量的扭矩之间的偏差传送到安装在所述道路车辆中的电子监控设备的模块。

10.一种被设计为安装在车辆中的电子监控设备，所述车辆至少包括用于驱动车轮的一个第一子系统和一个第二子系统，每个子系统包括至少一个根据权利要求1到8中的任一项所述的逆变器、车轮和安装在所述车轮上的电动机，所述电子监控设备包括：

-用于基于接收到的测量结果来确定所述车辆中的异常的模块，

-用于基于所述异常并且基于预定策略的集合来确定在所述车辆中待实施的校正行动的模块，以及

11.根据权利要求10所述的电子监控设备，还包括用于访问包括全部预定策略的数据库的模块。

12.根据权利要求10或11所述的电子监控设备，其中，所述预定策略被包括由以下策略组成的组中：用于监控数据总线的策略、用于监控车辆的牵引的策略、用于监控车辆的悬架的策略、用于监控安装在所述车辆中的DC电源的状态的策略、用于监控在电动机和冷却系统中的温度的策略以及用于监控所述车辆的传感器的策略。