CN104104300A - 旋转驱动系统、控制逆变器的方法及相关联的计算机程序 - Google Patents

Abstract

旋转驱动系统包括：直流电压源（102）；具有旋转轴（A）并包括具有围绕旋转轴（A）的方向的独立相位（a、b、c）的电动机（104）；用于将每个相位（a、b、c）连接至直流电压源（102）的逆变器（106）；以及用于为逆变器（106）提供命令的控制设备（110）。控制设备（110）包括：用于选择公式的装置（118），所述装置（118）用于从预先定义的公式中选择公式，每个预先定义的公式用于计算单极电压置位点或者单极电流置位点；用于确定置位点的装置（124），所述装置（124）用于应用所选公式以根据所选公式确定单极电压置位点或者单极电流置位点；以及用于确定命令的装置（126），所述装置（126）用于基于所确定的置位点确定逆变器（106）的命令。

Description

旋转驱动系统、控制逆变器的方法及相关联的计算机程序

技术领域

本发明涉及一种旋转驱动系统、用于控制逆变器的方法以及相关联的计算机程序。

背景技术

现有技术包括这种类型的旋转驱动系统的使用，该系统包括：

-直流电压源；

-电动机，该电动机具有旋转轴，并且包括具有围绕该旋转轴的方向的独立相位；

-逆变器，用于将每个相位连接至直流电压源；以及

-控制设备，用于为逆变器提供命令。

在一些驱动系统中，所述控制设备用于控制逆变器以获得电动机中的零单极电流，从而满足一些目标，然而在其它驱动系统中，控制设备用于控制逆变器以获得电动机中的非零单极电流，从而满足其它目标。

应该寻求适用于在驱动系统的操作过程中满足多个目标的驱动系统。

发明内容

为了至少部分地解决上述问题，本发明涉及一种上述类型的旋转驱动系统，所述控制设备包括：

-用于选择公式的装置，所述装置用于从预先定义的公式中选择公式，每个预先定义的公式用于计算单极电压置位点，或者单极电流置位点；

-用于确定置位点的装置，所述装置用于应用所选择的公式以根据所选择的公式确定单极电压置位点或者单极电流置位点；以及

-用于确定命令的装置，所述装置用于基于所确定的置位点确定所述逆变器的命令。

通过本发明，为了满足多个目标而自适应电动机的电气操作是可能的，以及特别地，在电动机的操作过程中，注入不同的单极电流或者电压以满足这些目标是可能的。

可选地，用于选择公式的装置用于基于与旋转驱动系统相关的至少一个参数做出所述选择。

可选地，与旋转驱动系统相关的参数包括电动机的运转特性，例如电动机的旋转速度。

可选地，用于选择公式的装置包括：

-由与旋转驱动系统相关的参数定义的空间区域的界定（definition），每个区域与预先定义的公式中的一者相关联；

-用于确定区域的装置，所述装置用于从预先定义的区域中确定与和旋转驱动系统相关的参数相对应的区域；以及

-用于检索（retrieve）与由用于确定区域的装置确定的区域相关联的公式的装置。

可选地，用于选择公式的装置包括与用于计算单极电流置位点的公式相关联的区域的至少一个界定。

可选地，用于选择公式的装置包括与用于计算单极电压置位点的公式相关联的区域的至少一个界定。

可选地，用于选择公式的装置包括与用于计算具有单极谐波的形式（例如具有一次单极谐波的形式）的置位点的公式相关联的区域的至少一个界定。

可选地，用于选择公式的装置包括与用于提供零置位点的公式相关联的区域的至少一个界定。

本发明还涉及一种用于控制逆变器的方法，该逆变器用于将电动机的每个相位连接到直流电压源，所述电动机具有旋转轴，并且包括具有围绕该旋转轴的方向的独立相位，该方法包括：

-从预先定义的公式中选择公式，每个预先定义的公式用于计算单极电压置位点或者单极电流置位点；

-应用所选择的公式以根据所选择的公式确定单极电压置位点或者单极电流置位点；

-基于所定义的置位点确定逆变器的命令。

本发明还涉及一种包括指令的计算机程序，当该指令在计算机上运行时，该指令引发计算机执行根据本发明的方法的步骤。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施方式的示例，其中：

-图1是根据本发明的旋转驱动系统的示图；

-图2是示出了多个运转区域的示图；以及

-图3是用于控制图1中的系统的逆变器的方法的框图。

具体实施方式

参考图1，现在将描述根据本发明的旋转驱动系统100。

旋转驱动系统100首先包括用于提供相对于参考电势M（接地极）的直流电压V的直流电压源102。

旋转驱动系统100还包括电动机104。以本身公知的方式，电动机104包括定子（未示出）和转子（未示出），该转子用于绕旋转轴A、以速度Ω相对于定子旋转，并提供力矩（该力矩被称为电磁力矩C）。在所描述的示例中，电动机104还包括三个相位a、b、c和p极点，这三个相位具有围绕旋转轴A均匀分布的方向。每个相位a、b、c具有两个端子，并且相位a、b、c是独立的，即它们没有通过它们的端子中的一者被连接至公共点（通常被称为“中性点”）。相位a、b、c用于分别被相电流ia、ib、ic穿过，并且在它们的端子之间具有相电压va、vb、vc。

旋转驱动系统100还包括逆变器106，该逆变器106用于将电动机104的每个相位a、b、c连接至直流电压源102。逆变器106包括六个桥臂（arm），每个桥臂与相位a、b、c的各个端子相关联。每个桥臂用于将其相关联的端子与电压V或者接地极M相连接。因此，每个桥臂包括两个开关，所述两个开关是串联控制的，在两个开关的中心位置被连接至相关联的端子。因此，逆变器106用于向每个相位a，b，c施加：电压+V，它的反向-V，或者在讨论中的相位的两个端子全被连接至相同的点（V或者M）时施加零电压。

旋转驱动系统100还包括用于测量转子相对于定子的旋转速度Ω、相电流ia、ib、ic以及在转子与定子之间的角度（其注释为θ）的传感器108。

旋转驱动系统100还包括用于控制逆变器106的控制设备110，该控制设备110用于提供命令至逆变器106以根据速度Ω、相电流ia、ib、ic、角度θ和转子相对于定子的旋转速度置点位Ω*来控制逆变器106。例如，当系统100在机动车辆中实施时，速度置位点Ω*是从速度调节器中接收到的。逆变器106的命令通常包括非常高频的开关打开/关闭命令。例如，控制设备110可以以计算机的形式来被具体化。在这种情况下，例如，在下文中详细描述的控制设备110的装置是以在计算机媒介上记录并由计算机运行的计算机程序的形式和/或以计算机专用电子电路的形式被具体化的。

控制设备110首先包括用于基于机械角度θ确定有用角度θ'的装置112。例如，有用角度θ'与该机械角度θ相等，或者与电气角度（该电气角度等于该机械角度θ乘以电动机104的极点p的对数）相等。

控制设备110还包括用于对相电流ia、ib、ic应用派克（Park）变换（也被称为dq0变换）以确定直流电流id、交变电流iq以及单极电流ih的装置114。根据下列公式给出了电流id、iq以及ih：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{id}\\ \mathrm{iq}\\ \mathrm{ih}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)& \cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)& -\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{ia}\\ \mathrm{ib}\\ \mathrm{ic}\end{array}\right]$

照此，每个相电流ia、ib、ic包括来自直流电流id和交变电流iq的一个分量，以及来自单极电流ih的一个分量。

控制设备110还包括用于基于速度Ω和速度置位点Ω*确定电动机104的电磁力矩置位点C*的装置116。

控制设备110还包括用于选择公式的装置118，所述装置118用于从例如存储于存储器中的不同的预先定义的公式中选择公式F。在所描述的示例中，预先定义的公式有四个，并被注释为F1、F2、F3、F4。每个预先定义的公式F1、F2、F3、F4用于计算单极电压置位点或者单极电流置位点。照此，每个公式定义了要被控制的单极电量：单极电流ih，或者单极电压vh。优选地，至少一个公式用于计算单极电流置位点，以及至少一个其他公式用于计算单极电压置位点。在所描述的示例中，公式F1、F2用于计算单极电流置位点，而公式F3、F4用于计算单极电压置位点。公式F1、F2、F3、F4将在下文被更详细地描述。

在所描述的示例中，基于与旋转驱动系统100相关的至少一个参数做出所述选择。更具体地，在所描述的示例中，使用了与电动机104相关的两个参数：速度Ω和力矩置位点C*。速度Ω是电动机104的运转特性，而力矩置位点C*是电动机104的控制特性。

在所描述的示例中，用于选择公式的装置118包括由与驱动系统100相关的参数定义的空间区域的界定。例如，这些界定被存储于存储器中。在所描述的其中使用了与电动机104相关的两个参数的示例中，该空间是二维的，即平面。在所描述的示例中，定义了四个区域Z1、Z2、Z3、Z4，并且每个区域Z1、Z2、Z3、Z4分别与公式F1、F2、F3、F4中的一者相关联。另外，在所描述的示例中，每个区域Z1、Z2、Z3、Z4与用于计算直流电流置位点id*的公式和用于计算交变电流置位点iq*的公式相关联。

照此，在所描述的示例中，用于选择公式的装置118首先包括用于确定区域的装置120，所述装置120用于从预先定义的区域中确定与和电动机104相关的参数相对应（即，在所描述的示例中，与速度Ω和力矩置位点C*相对应）的区域Z。

用于选择公式的装置118还包括用于检索与由用于确定区域的装置120确定的区域Z相关联的公式F，以及检索用于计算直流电流置位点和交变电流置位点的公式的装置122。

控制设备110还包括用于确定置位点的装置124，所述装置124用于通过应用所选择的公式以及特定为单极量选择的公式F，来确定直流电流置位点id*、交变电流置位点iq*、以及单极电流置位点ih或单极电压置位点vh。

控制设备110还包括用于确定命令的装置126，所述装置126用于基于所确定的置位点，以及特别地，根据情况，基于单极电流置位点或者单极电压置位点，来确定逆变器106的命令。

在所描述的示例中，用于确定命令的装置126包括用于确定偏差的装置128，所述装置128用于确定直流电流偏差Δid，交变电流偏差Δiq，以及当要被控制的单极电量是单极电流ih时，确定单极电流偏差Δih。这些偏差分别基于直流电流id与直流电流置位点id*的比较，交变电流iq与交变电流置位点iq*的比较，以及单极电流ih与单极电流置位点ih*的比较来被确定。

用于确定命令的装置126还包括用于计算命令的装置130，所述装置130用于当要被控制的单极电量是单极电流置位点ih时，基于偏差Δid、Δiq和Δih计算逆变器106的命令，或者当要被控制的单极电量是单极电压vh时，基于之前的偏差Δid、Δiq和单极电压置位点vh*计算逆变器106的命令。

参考图2，在所描述的示例中，四个区域Z1、Z2、Z3、Z4被定义在与电动机104相关的参数的平面中，即，在平面C*-Ω中。

区域Z1与小于阈值C1的力矩置位点C*和小于阈值Ω1的速度Ω相对应。

速度阈值Ω1优选地与全部等于直流电压源102的电压V的相电压va、vb、vc相对应。

由于单极电量G要被控制，区域Z1与单极电流和以下用于计算单极电流置位点ih*的公式F1相关联：

F1：ih*=0

另外，区域Z1还与以下用于计算直流电流置位点id*和交变电流置位点iq*的公式相关联：

id*=0

iq*=k C*，其中C*≤C1

照此，由于在区域Z1中不允许单极电流，在电动机104中，损耗处于最低水平。当速度未达到与直流电压源102的电压V相对应的速度阈值Ω1时，或者当力矩置位点小于与逆变器106能够提供的电流限制相对应的阈值C2时，这个策略可以被使用。

区域Z2与在阈值C1和阈值C2之间的力矩置位点C*以及小于阈值Ω1的速度Ω相对应。

区域Z2与以下用于计算单极电流置位点ih*的公式F2相关联：

照此，单极电流置位点ih*具有三次谐波的形式，即，比相电流的基频高三倍的频率波，该基频具有等于旋转速度Ω乘以电动机104的极点p的对数的频率。

系数k2和相移被选择以降低相电流ia、ib、ic的峰值。理论上，当相移为0时可以获得最佳情况。

另外，区域Z2与以下用于计算直流电流置位点id*和交变电流置位点iq*的公式相关联：

id*=0

iq*=k C*，其中C*≤C2

一般地，每个相电流ia、ib、ic受限于与逆变器106的结构相对应的电流限制imax。在缺少其它分量以及特别地缺少单极分量的情况下，基础分量（被注释为H1）因此也受限于该限制imax。

但是，在区域Z2中，由逆变器106提供的每个相电流ia、ib、ic包括基础分量H1以及单极分量H3。在区域Z2中，直流和交变电流置位点id*、iq*导致大于imax的基础分量H1的出现，而单极分量H3的置位点被选择以降低电流的峰值，以致基础分量H1与单极分量H3的总和保持低于电流极限imax。下面的公式对以上进行了概括：

H1+H3≤imax

Max（H1）>imax

照此，响应于接收到的基础电流分量H1（并且非常略微地响应于单极分量H3），电动机104可以以由于单极分量H3的出现引起的损耗为代价，在区域Z2中获得比在区域Z1中更大的力矩，因为基础分量更高。

区域Z3与在阈值Ω1和阈值Ω2之间的速度Ω以及与小于阈值C3的力矩置位点C*相对应，当速度Ω增加时该阈值C3会下降，该阈值C3从当速度Ω等于阈值Ω1时的阈值C1直到当速度Ω等于阈值Ω2时的零阈值。

区域Z3与以下用于计算单极电压置位点vh*的公式F3相关联：

照此，单极电压置位点vh*具有三次谐波的形式，即，比相电流的基频高三倍的频率波，该基频具有等于旋转速度Ω乘以电动机104的极点p的对数的频率。

另外，区域Z3与以下用于计算直流电流置位点id*和交变电流置位点iq*的公式相关联：

id*=f（iq*，ih*，Ω，V）

iq*=k C*

其中f是适当选择的函数，以及其中C*≤C3。

一般地，每个相电压va、vb、vc受限于直流电压源102的电压V。在缺少其它分量以及特别地缺少单极分量的情况下，基础分量（被注释为H1）因此也受限于这个电压V。

但是，在区域Z3中，由逆变器106提供的每个相电压va、vb、vc包括基础分量H1和单极分量H3。在区域Z3中，直流和交变电流置位点id*、iq*引起大于V的基础分量H1的出现，而单极分量H3的置位点被选择以降低电压的峰值，以致基础分量H1和单极分量H3的总和保持低于电压限制V。下面的公式对以上进行了概括：

H1+H3≤V

Max（H1）>V

照此，响应于接收到的基础电压分量H1（并且非常略微地响应于单极分量H3），电动机104可以以由于单极分量H3的出现引起的损耗为代价，在区域Z3中获得比在区域Z1中更大的速度，因为基础分量更高。

区域Z4与在阈值Ω1和阈值Ω3之间的速度Ω、以及与在区域3和阈值C4之间的力矩置位点C*相对应，当速度Ω增加时该阈值C4下降，该阈值C4从当速度Ω等于阈值Ω1时的阈值C2直到当速度Ω等于阈值Ω3时的零阈值。

区域Z4与以下用于计算单极电压置位点vh*的公式F4相关联：

另外，区域Z4与以下用于计算直流电流置位点id*和交变电流置位点iq*的公式相关联：

id*=g（iq*，ih*，Ω，V）

iq*=k C*

其中g是适当选择的函数，以及其中C*≤C4。

在区域Z4中，由逆变器106提供的每个相电压va、vb、vc包括基础分量H1和单极分量H3。因此，由逆变器106提供的每个相电流ia、ib、ic包括基础分量H'1和单极分量H'3。在区域Z4中，直流和交变电流置位点id*、iq*引起大于V的基础分量H1的出现，以及同时，引起大于imax的基础分量H'1的出现。单极分量H3的置位点被选择，一方面，以降低电压的峰值，以致基础分量H1和单极分量H3的总和保持低于电压限制V，以及另一方面，以引起单极分量H'3降低峰值电流值，以致基础分量H'1和单极分量H'3的总和保持低于电流限制imax。下面的公式对以上进行了概括：

H1+H3≤V

H'1+H'3≤imax

Max（H1）>V

Max（H'1）>imax

照此，响应于接收到的基础分量H1、H'1（并且非常略微地响应于单极分量H3、H'3），电动机104可以以由于单极分量H3、H'3的出现引起的损耗为代价，在区域Z4中获得比在区域Z3中更大的速度和力矩，因为在该区域Z4中，基础分量H1、H'1更高。

可替换地，区域Z4与以下用于计算单极电流置位点ih*的公式F4相关联：

参考图3，现在将描述用于控制逆变器106的方法300。

在步骤302的过程中，传感器108测量速度Ω、角度θ和相电流ia、ib、ic，以及将这些测量提供至控制设备110。

在步骤304的过程中，用于确定有用角度的装置112基于机械角度θ确定有用角度θ'。

在步骤306的过程中，用于应用Park变换的装置114确定直流电流id、交变电流iq和单极电流ih。

在步骤308的过程中，用于确定置位点的装置116基于速度Ω和速度置位点Ω*确定力矩置位点C*。

在步骤310的过程中，用于选择公式的装置118从预先定义的公式F1、F2、F3、F4中选择公式F。

在步骤312的过程中，用于确定置位点的装置124通过应用所选择公式F确定直流电流置位点id*、交变电流置位点iq*以及单极电流置位点或者单极电压置位点。

在步骤314的过程中，用于确定命令的装置126特别地基于在步骤312中定义的单极置位点确定逆变器106的命令，以及将该命令施加给逆变器106。

如上面所阐述的，每个相电流ia、ib、ic，以及每个相电压va、vb、vc具有来自单极电流ih或单极电压的分量。照此，通过调整单极电流或者单极电压，借助于适当选择的置位点，按照需要修改相电流ia、ib、ic或者相电压va、vb、vc的形状是可能的。

本发明不限制于上面描述的实施方式的示例，而是相反，本发明由所附的权利要求定义，本发明的范围扩展至适合于使用本领域的技术人员的公知常识设计的任何替换修改和配置。

特别地，在区域Z1中不施加零单极电流，而可以施加常量单极电压。

Claims (10)

1.一种旋转驱动系统（100），该系统包括：

-直流电压源（102）；

-具有旋转轴（A）的电动机（104），并且该电动机（104）包括具有围绕所述旋转轴（A）的方向的独立相位（a、b、c）；

-逆变器（106），用于将每个相位（a、b、c）连接至所述直流电压源（102）；以及

-控制设备（110），用于为所述逆变器（106）提供命令，其特征在于，所述控制设备（110）包括：

-用于选择公式的装置（118），所述装置（118）用于从预先定义的公式中选择公式，每个预先定义的公式用于计算单极电压置位点或者单极电流置位点；

-用于确定置位点的装置（124），所述装置（124）用于应用所选择的公式以根据所选择的公式确定单极电压置位点或者单极电流置位点；以及

-用于确定命令的装置（126），所述装置（126）用于基于所确定的置位点确定所述逆变器（106）的所述命令。

2.根据权利要求1所述的旋转驱动系统（100），其中，用于选择公式的所述装置（118）用于基于与所述旋转驱动系统（100）相关的至少一个参数做出所述选择。

3.根据权利要求2所述的旋转驱动系统（100），其中，与所述旋转驱动系统（100）相关的所述参数包括所述电动机（104）的运转特性，例如所述电动机（104）的旋转速度（Ω）。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的旋转驱动系统（100），其中，用于选择公式的所述装置（118）包括：

-由与所述旋转驱动系统（100）相关的所述参数定义的空间区域的界定，每个区域与所述预先定义的公式（F1、F2、F3、F4）中的一者相关联；

-用于确定区域的装置（120），所述装置（120）用于从预先定义的区域中确定与和所述旋转驱动系统（100）相关的所述参数相对应的区域（Z）；以及

-用于检索与由用于确定区域的所述装置（120）确定的所述区域（Z）相关联的公式（F）。

5.根据权利要求4所述的旋转驱动系统（100），其中，用于选择公式的所述装置（118）包括与用于计算单极电流置位点的公式（F1、F2）相关联的区域（Z1、Z2）的至少一个界定。

6.根据权利要求4或5所述的旋转驱动系统（100），其中，用于选择公式的所述装置（118）包括与用于计算单极电压置位点的公式（F3、F4）相关联的区域（Z3、Z4）的至少一个界定。

7.根据权利要求4-6中任一权利要求所述的旋转驱动系统（100），其中，用于选择公式的所述装置（118）包括与用于计算具有单极谐波的形式（例如具有一次单极谐波的形式）的置位点的公式（F2、F3、F4）相关联的区域（Z2、Z3、Z4）的至少一个界定。

8.根据权利要求4-7中任一权利要求所述的旋转驱动系统（100），其中，用于选择公式的所述装置（118）包括与用于提供零置位点的公式（F1）相关联的区域（Z1）的至少一个界定。

9.一种用于控制逆变器的方法，该逆变器用于将电动机（104）的每个相位（a、b、c）连接至直流电压源（102），所述电动机（104）具有旋转轴（A），并且包括具有围绕该旋转轴（A）的方向的独立相位（a、b、c），该方法包括：

-从预先定义的公式中选择（310）公式，每个预先定义的公式用于计算单极电压置位点，或者单极电流置位点；

-应用（312）所选择的公式以根据所选择的公式确定单极电压置位点或者单极电流置位点；以及

-基于所定义的置位点确定（314）所述逆变器（106）的命令。

10.一种包括指令的计算机程序，当该指令在计算机上运行时，该指令引起所述计算机执行根据权利要求9的方法的步骤。