CN104617841B - 控制多相旋转磁场电机的处理器、设备、方法和电脑程序 - Google Patents

控制多相旋转磁场电机的处理器、设备、方法和电脑程序 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制多相旋转磁场电机的处理器、设备、方法和电脑程序。具体涉及一种控制多相位旋转磁场电机(701)在旋转磁场电机(701)的第一相位的第一相电流(724‑1；724‑2；724‑3)中断情况下的紧急运行的处理器(708)。该处理器(708)构造成用于通过组合定子固定的坐标系的针对第二相位的第二额定电流预定参数(706‑1；706‑2；706‑3)与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数(706‑1；706‑2；706‑3)来确定在定子固定的坐标系中的对应紧急运行的针对旋转磁场电机(701)第二相位的控制电流预定参数(716‑1；716‑2；716‑3)。在此，针对第二相位的控制电流预定参数(716‑1；716‑2；716‑3)的相位角度和幅度分别不同于第二额定电流预定参数(706‑1；706‑2；706‑3)的相位角度和幅度。

Description

控制多相旋转磁场电机的处理器、设备、方法和电脑程序
技术领域
本发明涉及控制多相位的旋转磁场电机在旋转磁场电机的第一相位的第一相电流中断的情况下的紧急运行的领域。
背景技术
为了将电能转变为动能，除了电动机的其他结构形式外也使用所谓的旋转磁场电机或三相电机。旋转磁场电机可以包括具有所谓的相位的环形布置的定子，这些相位可以产生在时间上可变的磁场，并且由此可以使磁转子，例如具有永磁体的动子旋转。旋转磁场电机，例如永磁激励同步电机(PSM)或异步电机(ASM)使用在不同的应用中，例如使用在混合动力汽车、电动汽车、伺服驱动装置、机床等中。在这些旋转磁场电机中，电压中间电路逆变器(WR)经常用于产生针对各相位的供应电压。在电机或逆变器中出现故障的情况下可以中断电机的其中一个相位。如果电机在此继续运行，那么这会导致扭矩波动。文献WO 2010/004239 A1公开了如下方法，其中，同步电机即使在一个相位失灵的情况下仍能以多个相位继续运行。但是在此，在电机的一些运行情况下，相电流可能变得非常大，从而会出现对电机的损坏，例如对位于WR中的用于调节针对其余相位的电压的半导体构件的损坏。
在一些应用中，在故障情况下可以切断电机。Welchko,Jahns&Lipo(IEEE PowerElectronics Letters，第2卷，第四号，2004年12月)公开了用于在具有永磁体的同步电机中发生故障的情况下中断相电流的方法。这种做法在一些应用情况下，例如在转向装置或电动汽车中可能是不期望的，这是因为突然关断车辆中的电机要求车辆驾驶员集中注意力，并且因此可能会导致事故。
为了在故障以及由此产生的相位中断的情况下可以使电机继续运行，备选地可以使用逆变器或电机的线路中的冗余(Redundanz)。但是，这些解决措施会导致更多的耗费、更大的体积或高成本。这例如在设置成装入车辆中的情况下可能是不实际的，这是因为在此经常仅有少量结构空间可供使用，并且在较大的生产件数的情况下，额外的高成本会成倍累积。
发明内容
因此，值得期待的是：提供一种用于在相位失灵的情况下操控旋转磁场电机，例如PSM的改进方案。
根据独立权利要求的用于控制多相位的旋转磁场电机在旋转磁场电机的第一相位的第一相电流中断的情况下的紧急运行的处理器、设备、方法和电脑程序考虑到该需求。
实施例通过使用用于控制多相位的旋转磁场电机在旋转磁场电机的第一相位的第一相电流中断的情况下的紧急运行的处理器能够实现这一点。该处理器在此构造成用于确定在定子固定的(statorfest)坐标系中对应紧急运行的针对旋转磁场电机第二相位的控制电流预定参数。这通过组合定子固定的坐标系中的针对第二相位的第二额定电流预定参数与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数来实现。在此，针对第二相位的控制电流预定参数的相位角度和幅度分别不同于第二额定电流预定参数的相位角度和幅度。会导致旋转磁场电机或用于调节电流的逆变器损坏的过高的电流可以用该方式来避免。此外，由此有可能可以取消逆变器或电机中的冗余。也有可能可以避免在故障情况下完全关断电机。
根据一些实施例，控制电流预定参数可以至少部分补偿针对第一相位的第一额定电流预定参数。也可以存在针对多个其他相位的多个的控制电流预定参数，从而使针对第一相位的额定电流预定参数通过针对其他相位的控制电流预定参数总地完全补偿。因此，根据电机的相位数目和结构类型，针对第一相位的额定电流预定参数可以重新分配到针对其他相位的一个或多个控制电流预定参数上。
根据一些实施例，控制电流预定参数相应于第二额定电流预定参数的值与第一额定电流预定参数的值的一半的和。如果旋转磁场电机是三相旋转磁场电机，那么这例如可以很好地补偿针对第一相位的额定电流预定参数。在此，针对第二和第三相位的两个控制电流预定参数可以分别以针对第一相位的额定电流预定参数的值的一半来扩大。
根据一些实施例，控制电流预定参数的幅度可以小于第二额定电流预定参数的幅度。因此可以避免单个相电流的幅度具有过高的值，以便例如可以维持在第一相位失灵之前占主导地位的扭矩，而不会由此导致电机过载。因此，高成本且敏感的构件，例如像MOSFET那样的半导体构件可以受到保护以防损坏。
根据一些实施例，控制电流预定参数的频率基本上可以相应于第二额定电流预定参数的频率。由此，旋转磁场电机在第一相电流中断之后的转速可以基本上相应于旋转磁场电机在第一相电流中断之前的转速。如果发动机在故障出现之后应该以恒定的转速继续运行，那么这例如在电动汽车中可以是有意义的。
根据一些实施例，处理器可以包括针对具有控制电流预定参数的信号的输出接口。该信号在此可以导致旋转磁场电机以控制电流预定参数运行。
实施例此外还涉及一种用于控制多相位的旋转磁场电机在旋转磁场电机的第一相位的第一相电流中断的情况下的紧急运行的设备。该设备与信号输入端联接。该设备构造成用于接收在定子固定的坐标系中针对旋转磁场电机第二相位第二相电流的控制电流预定参数。该设备此外还包括比较器。该比较器构造成用于以比较控制电流预定参数和第二相电流的实际值为基础，将控制信号提供至逆变器。控制信号在第一比较结果的情况下导致产生第一供应电压值，而在第二比较结果的情况下导致产生针对第二相位的第二供应电压值。如果出现故障，那么可以通过故障信号首先立即确定紧急运行。此外，可以在考虑施加的相电流的情况下执行对保持激活的相位的操控，这可以提高控制电流预定参数的精确度。
根据一些实施例，如果控制电流预定参数与第二相电流的实际值的差小于阈值，那么可以得到第一比较结果。相应地，如果控制电流预定参数与第二相电流的实际值的差大于阈值，那么可以得到第二比较结果。
在其中一些前面的实施例中，如果差大于0，那么阈值可以是第一值，而如果差小于0，那么阈值可以是第二值。因此，在一些实施例中可以实现磁滞特性，其中，代替离散的阈值而存在容差范围，在该容差范围内原则上两个比较结果均可以实现，例如依赖于比较值当前的改变是相应于该比较值的增加还是减少。如果期望比较结果更长时间地停在容差范围内，那么这可以是有意义的。
根据一些实施例，逆变器可以包括至少一个与第二相位连接的第一功率半导体和至少一个与第二相位连接的第二功率半导体。在此，第一比较结果可以导致第一功率半导体接通而第二功率半导体关断。第二比较结果相应地可以导致第一功率半导体关断而第二功率半导体接通。由此可以确保例如配属于相同相位的两个功率半导体不会同时接通，这是因为同时接通会导致短路。
根据一些实施例，该设备此外还可以包括至少一个另外的比较器。此外，多个比较器中的第一比较器可以配属于第一相位，而多个比较器中的第二比较器可以配属于第二相位。因此，上面描述的控制过程可以转用到电机中的多个或甚至所有仍然无故障地运行的相位中。
根据一些实施例，第一比较器可以在第一相位失灵的情况下解除激活。由此可以确保的是失灵的第一相位显示出在时间上恒定的特性，或者换言之，没有不受控制的电流。这可以简化其他过程，并且防止对构件的不期望的干扰效果或损坏。
此外，实施例还涉及一种用于控制多相位的旋转磁场电机在旋转磁场电机的第一相位的第一相电流中断的情况下的紧急运行的方法。该方法包括组合定子固定的坐标系的针对第二相位的第二额定电流预定参数与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数。此外，该方法还包括确定在定子固定的坐标系中对应紧急运行的针对旋转磁场电机第二相位的控制电流预定参数。该确定通过组合定子固定的坐标系的针对第二相位的第二额定电流预定参数与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数来实现。在此，针对第二相位的控制电流预定参数的相位角度和幅度分别不同于第二额定电流预定参数的相位角度和幅度。由此可以取消逆变器或电机中的冗余的利用。因此，完全关断电机也可以不再是必需的；具体而言，电机可以至少以原来功率的一部分继续运行。
实施例此外还涉及具有用于执行该方法的程序代码的程序，如果该程序代码在电脑、处理器或可编程的硬件部分上实施。
附图说明
其他有利的设计方案随后借助在附图中示出的实施例来详细描述，但并不局限于这些实施例。其中：
图1示出不同的坐标系的图示，这些坐标系可以用于确定对于磁场定向调节来说有关的参数；
图2示出逆变器的比较示例，其可以用作用于电机的电压源；
图3示出针对用于永久激励的同步马达的磁场定向调节的调节电路的比较示例；
图4示出在旋转磁场电机正常运行的情况下三个相位的相电流、扭矩和转速关于时间的分布曲线；
图5示出根据比较示例在旋转磁场电机的相电流中断并且具有磁场定向调节的情况下三个相位的相电流、扭矩和转速关于时间的分布曲线；
图6示出用于根据实施例获知相电流的控制电流预定参数的流程图；
图7示出通过根据实施例比较相电流来控制旋转磁场电机的框图；
图8示出根据实施例在考虑到相位中断的故障情况下，用于控制旋转磁场电机的流程图；
图9示出根据实施例在直接调节中，在旋转磁场电机的相电流中断的情况下三个相位的相电流、扭矩和转速关于时间的分布曲线；
图10示出根据实施例在直接调节中，在旋转磁场电机的相电流中断的情况下三个相位的相电流分别关于时间的分布曲线；
图11示出根据实施例在相电流中断的情况下，用于控制多相位的旋转磁场电机的紧急运行的方法的流程图。
具体实施方式
现在参考示出一些实施例的附图更详细地描述各种不同的实施例。在附图中，线、层和/或区域的厚度尺寸为了清晰起见可以夸张地示出。
在随后对仅示出一些示例性的实施例的附图的描述中，相同的附图标记可以代表相同或类似的部分。此外，概括性的附图标记可以用于在一个实施例或一个附图中多次出现但在一个或多个特征方面被共同描述的部分和对象。用相同或概括性的附图标记来描述的部分或对象在单个、多个或所有特征，例如它们的规格方面可以是相同的，但必要时也可以不同地实施，只要从描述中不会明确或隐含地得到其他部分或对象。
尽管实施例可以用不同的方式来修改和改变，但附图中的实施例作为示例示出并在此进行详细描述。但是要指明的是，实施例并不局限于分别公开的形式，而是实施例具体而言应该包括在本发明的范围内的所有功能和/或结构的修改方案、等效方案和备选方案。相同的附图标记在所有附图说明中代表相同或相似的元件。
要注意的是，被称为与其他元件“连接”或“接驳”的元件可以与其他元件直接连接或接驳，或者也可以存在有位于它们之间的元件。而如果元件被称为与其他元件“直接连接”或“直接接驳”，那么就不存在位于它们之间的元件。用于描述元件之间的关系的其他概念应该以类似方式阐明(例如“在它们之间”相对于“直接在它们之间”，“邻接”相对于“直接邻接”等)。
在此使用的术语仅用于描述特定的实施例，而不应该限制实施例。像在此所使用的那样，单数形式“一个”和“所述”也应该包括复数形式，只要上下文没有明确地说明其他情况。此外还要指明的是，像在此所使用的例如“包括”、“包括有”、“带”和/或“带有”那样的表述说明存在提到的特征、整数、步骤、工作流程、元件和/或部件，但并不排除存在或添加其中一个或多个特征、整数、步骤、工作流程、元件和/或组件。
只要没有其他限定，所有在此使用的概念(包括技术和科学概念)具有与实施例所属领域内的一般技术人员赋予这些概念的意思相同的意思。此外要指明的是，例如在通常所使用的字典中限定的那些表述可以像这些表述具有与它们在上下文中相关的技术意思一致的意思那样来解释，而不在理想化或过度形式化的意义上来解释，只要这在此没有特别限定。
旋转磁场电机可以实施为永久激励的同步电机(PSM电机)。PSM电机可以包括定子，当PSM电机是三相电机时，该定子可以由以120°分布的线圈(也被称为相位)的环形布置来构建。相位可以产生在时间上可变的磁场，并且由此可以使磁转子，例如动子(其具有安装在其上或其内的永磁体)旋转。
图1为了完整性示出关于三相电机的三个坐标系的概图，这些坐标系可以用于计算或描述任意的相电流矢量100。具有附属的轴110-1、110-2和110-3的三维坐标系(UVW)相应于通过定子的各线圈的位置给出的坐标系。为了调节电机或电动机，状态参数，例如相电流被转换到随转子转动的坐标系，即dq坐标系中。d轴120-1与永久激励的动子的最大磁通量平行地延伸，而q轴120-2则与之垂直地延伸。
此外，这些参数也可以在卡迪尔二维坐标系，即αβ坐标系中进行描述，其中，在图1所示的图示中，在并非对普遍性进行限制的情况下，α轴130-1选择成使其与UVW坐标系的U轴110-1一致地延伸。β轴130-2与之垂直地延伸。
在接下来更精确地描述的磁场定向调节(Feldorientierte Regelung，FOR)中，电机的状态参数被转换至dq坐标系中，这是因为在该坐标系中简化了描述电机的动态特性的差分方程。在该坐标系中，电机可以与直流电机类似地进行调节。
作为针对用于三相旋转磁场电机250的电压供应的示例，在图2中示出逆变器200，其具有MOSFET 210-X；220-X和230-X，其中，X＝1；2。利用MOSFET 210-X；220-X和230-X，电流可以在两个方向上接通。其他实施例也可以使用不同的功率半导体，例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或GTO(Gate Turn-OffThyristor，门极可关断晶闸管)。仅在上MOSFET 210-1；220-1和230-1与下MOSFET 210-2；220-2和230-2之间的截止时间期间，在每个相位x(U、V或W)中，反向二极管215-1；225-1和235-1或215-2；225-2和235-2在该相位x中接受电流。依赖于电流的符号，电流可以被引导通过相位的下二极管(例如215-2)或上二极管(例如215-1)。相位x的上MOSFET(例如210-1)或上二极管(例如215-1)总是与+Udc联接，而下MOSFET(例如210-2)或下二极管(例如215-2)总是与-Udc联接。
在图2所示的电压中间电路逆变器200中，通过不同的调制方法，在其输出端上调节出例如针对旋转磁场电机的期望电压。次谐波调制法(Unterschwingungsverfahren)、脉冲宽度调制(PWM)或空间矢量调制经常作为调制方法使用。
在正常情况下，磁场定向调节(FOR)用于操控永久激励的同步电机(PSM)。为了测量电流，在每个相位中使用电流传感器。为了更好的理解，随后借助图3，借助FOR调节器300的框图简要地阐述FOR中的一般的过程。该调节器得到针对在dq坐标系中的电流的d分量302-1和q分量302-2的额定电流预定参数作为基准变量302-1和302-2的，以便预定电机，更确切地说是旋转磁场电机250的期望的转速和期望的扭矩。调节偏差通过由额定电流预定参数减去实际的d分量304-1和实际的q分量304-2来确定。d分量304-1和q分量304-2一起得到提供如下反馈信号305的可能性，该反馈信号包含关于在多个相位的每个相位中的电流的信息。电流的每个分量的调节偏差由比例积分(PI)调节器306-1和306-2进行处理，它们产生第一电压分量308-1(Usd)和第二电压分量308-2(Usq)作为调整参数308-1和308-2，也就是说在dq坐标系中的期望的电压矢量。因为为了运行电机250必须分别产生针对每个相位的电压，并且这些电压存在于位置固定的(ortsfest)坐标系中，所以dq/123转换器310用于将调整参数308-1和308-2或要调节的电压转换到三维坐标系中(坐标1、2和3可以在此分别相应于在图1中使用的坐标U、V和W)，以便得到电压预定参数312-1(Us1)、312-2(Us2)和312-3(Us3)。
矢量调制器或PWM发生器314用于从位置固定的坐标系中的电压矢量产生针对脉冲逆变器316或最终级的操控信号。针对逆变器的示例已经在图2中示出。矢量调制器314尤其是针对其中每个相位U、V和W产生脉冲宽度调制信号318-1至318-3，借助这些脉冲宽度调制信号来操控逆变器316的各相位。从用于产生特定的电压矢量的调节或控制中产生的PWM值可以随期望的电压频率和电压幅度而改变。电压幅度的大小可以是用于在逆变器上设定的电压矢量的长度的度量。
在逆变器的输出端存在运行电压320-1至320-3(UU、UV、UW)，它们施加在不同相位的线圈中的每个线圈上。在运行电压320-1至320-3的供应线路中流动的电流被测量，并且用作调节回路的回引或反馈信号。因为在磁场定向调节的情况下，额定电流或基准变量存在于dq坐标系中，所以在三个供应线路中的电流借助变换器324转换至dq坐标系中，在那里反馈信号305可以直接使用。
此外，为了能够从UVW坐标系转换至dq坐标系，关于动子的位置的信息是必需的。为了这个目的，可以借助角度探测器或位置传感器330来确定机械角度332(Θmech)并将其提供给坐标系。从机械角度332例如可以通过与极对数Zp相乘来确定电角度334(Θel)，需要该电角度以便从dq坐标系转换至UVW坐标系或相反地转换。以相同的方式和方法可以确定所谓的电角速度336(ωel)。图3示出如下额外的可能性，即，借助去耦器338可以考虑到电流的d分量与q分量之间的相互作用，其中，主要为了清晰起见在此并未详细讨论该去耦器的功能。
图4示出在电机从0加速至1000转/分钟(U/min)的情况下，相电流(参见图2中的相电流Is1、Is2和Is3)和扭矩的理想分布曲线。在上部的图400-1中关于以秒(s)计的时间绘制出以安培(A)计的相电流的幅度值。U电流410-1、V电流410-2和W电流410-3彼此间分别以120°相移，并且在整个时间分布曲线上示出大致100A的相同的最大幅度。电流410-1至410-3的频率在此以相同的比例增加，直到达到1000U/min的最终转速。
中间的图400-2示出以牛米(Nm)计的相应的扭矩关于时间绘制的分布曲线。额定值420-1在此与实际值420-2几乎重合，这是因为只要在各相位中施加有期望的电压，产生扭矩的力就可以起作用。此外，关于时间绘制出经过滤的扭矩420-3。通过扭矩420-2的恒定的实际值进行均匀的加速。这可以像下部的图400-3示出的那样从均匀提高的转速430中得出。1000U/min的转速在0.28s之后达到。
在电机或逆变器故障的情况下，可以中断电机的三个相位中的一个。可能的原因例如可以是逆变器在相位中的一个或两个MOSFET失灵，或者是逆变器与电机之间的接触问题。由此，电机可能无法进行正确调节，这是因为由于相位失灵而不能调节出期望的电压矢量。以该方式可以代替电机中的旋转磁场而形成交变磁场，这会导致扭矩波动。
在电机的一些运行情况下，像在图5中示出的那样，相电流可以变得特别大，从而会使在剩余的两个相位中的MOSFET被破坏。上部的图500-1示出U、V和W相电流510-1至510-3的时间分布曲线，其中，U相电流510-1在0.05s后中断，并且从此以后为0值。由于该中断，现在更强的电流可以在两个无故障的相位V和W中流动，这会导致相关的MOSFET的过载。再次借助图2来说明的是，如果流过MOSFET 210-1和210-2的电流中断，那么例如MOSFET 220-1；220-2；230-1和230-2会过载。
中间的图500-2示出扭矩520-1由于相位中断而导致的实际值的新分布曲线。从时间0.05s起出现振荡；由于U相位失灵，对于扭矩来说决定性的力不再均匀地作用，并且电机可能不再完全平顺地运转。这种不补偿例如可以通过惯性效应来减弱，从而平均在给定的时间间隔中可以更少地显现波动。扭矩520-2的经过滤的分布曲线说明了这种情况。但是在此可以保持转速530，这在下部的图500-3中示出。
在一些应用情况下，在这种故障情况下，电机可以被切断。但这种做法在一些应用情况下(例如在转向装置或电动汽车等中)可能是不期望的。为了在相位中断的故障情况下使电机可以继续运行，备选地可以利用逆变器或电机的线路中的冗余。但是，这些解决措施会导致更多的耗费、更大的体积或高的成本。
实施例包括用于控制多相位的旋转磁场电机在旋转磁场电机的第一相位的第一相电流中断的情况下的紧急运行的处理器。该处理器在此构造成用于确定在定子固定的坐标系中的、对应紧急运行的、针对旋转磁场电机第二相位的控制电流预定参数。这通过组合定子固定的坐标系的针对第二相位的第二额定电流预定参数与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数来实现。在此，第二相位的控制电流预定参数的相位角度和幅度分别不同于第二额定电流预定参数的相位角度和幅度。由此，在相位失灵的情况下可以如下这样来操控PSM，即，可以取消对逆变器或电机中的冗余的利用。
定子固定的坐标系在此可以相应于图1的UVW坐标系或αβ坐标系。随后借助在图1中图示出的坐标系来说明的是，在相位失灵的情况下可以如何操控PSM。在此，不需要逆变器或电机中的冗余，并且也无需关断电机。此外，电机可以用一半功率(或扭矩)继续运行。
首先考虑电机的相电流在定子固定的αβ坐标系中的转换：
方程1
方程2
从αβ坐标系逆转换到UVW坐标系中相应地为：
Iu＝Iα 方程3
方程4
方程5
该转换例如可以借助转换器(类似于图2示意性示出的转换器310)来执行。
随后，Isu、Isv、Isw分别是电机在相位U、V和W中的相电流，Isα、Isβ分别是电机的电流矢量在αβ坐标系中的分量，并且Θ是电机的电角度，该电角度等于极对数和转子的机械角度的乘积。
作为第一示例考虑如下情况，其中，相位U中断。相位U中的相电流因此等于零。如果想将相位U中的电流置为零，那么就会得到如下电流：
方程6
方程7
方程8
化简后得到：
方程9
方程7
方程8
利用方程3、4和5得到相位没有中断的情况(Isu、Isv和Isw)与相位中断的情况(Isu1、Isv1和Isw1)之间的关系。
方程12
方程13
方程14
化简后得到：
方程15
方程16
方程17
利用方程15、16和17满足了所有三个相电流的和为零(结点调节)的物理条件。
换言之，电流Isu、Isv和Isw可以分别是针对相位U、V和W的额定电流预定参数，它们对应电机正常运行，也就是电机无故障运行。电流Isu1、Isv1和Isw1相应可以分别是针对相位U、V和W的控制电流预定参数或新的额定电流预定参数。它们对应电机紧急运行，也就是电机出现故障(相位中断)后的运行。
在一些实施例中，控制电流预定参数Isv1或Isw1分别可以至少部分地补偿额定电流预定参数Isu。更确切地说，像方程16和17示出的那样，控制电流预定参数Isv1或Isw1可以相应于Isv或Isw与Isu的一半的和。在具有例如带多于三个相位的电机的其他实施例中，这也可以是其他值。
与此类似地，针对相位V中断的情况，相电流的新的控制电流值由方程18至20计算出：
方程18
方程19
方程20
针对相位W中断的情况，相电流的新的控制电流值由方程21至23得出：
方程22
方程23
图6示出算法600的流程图，该算法例如可以借助处理器来实施，以便确定相位中断并相应地匹配余下的相电流。例如，可以由逆变器输出故障信号，由此开始算法602。故障信号可以包括关于哪个相位中断的信息604。在U相位中断606-1的情况下，可以根据方程15至17重新计算608-1针对三个相位的控制电流预定参数。与此类似地，在V相位中断606-2的情况下，可以根据方程18至20重新计算608-2针对三个相位的控制电流预定参数，并且在W相位中断606-3的情况下，可以根据方程21至23重新计算608-3针对三个相位的控制电流预定参数。在此示出的值IsuRefN、IsvRefN和IswRefN分别相应于方程组中的值Isu1、Isv1和Isw1。在此之后，可以提供610新的控制电流预定参数值IsuRefN、IsvRefN和IswRefN的，并紧接着结束算法612。
图7示出用于根据实施例通过比较相电流来控制(在此也可以说是“直接调节”)三相旋转磁场电机701的结构700的框图。首先，在dq坐标系中的两个额定电流值702-1；702-2被递交至变换器704，该变换器在UVW坐标系中输出三个额定电流值706-1至706-3。为此类似于图3地可以使用电角度707(Θel)。为了该电角度的计算，由位置传感器705提供机械角度709(Θmech)并与极对数Zp相乘。此外，可以通过对机械角度709在时间上求导计算出机械角速度711(ωmech)，并且由此又通过与极对数Zp相乘计算出电角速度713(ωel)。
额定电流值706-1至706-3可以在处理器708上提供。处理器在示出的实施例中具有信号输入端710，其构造成用于接收逆变器714的故障信号712(“断相(Phasefailure)”)。故障信号712在此包括已经结合图6提到的关于中断相位的信息604。故障信息712可以用于监控相位中断故障。该信息也可以用于从FOR切换至根据图6的操控。此外，处理器708还构造成用于回应故障信号712地执行在图6中所描述的算法600，并且由此提供三个控制电流值716-1至716-3。
结构700此外还包括用于控制多相位的旋转磁场电机701在旋转磁场电机701的第一相位的第一相电流中断的情况下的紧急运行的设备718。设备718通过处理器708与接收故障信号712的信号输入端710间接联接。设备718构造成用于接收在定子固定的坐标系中针对旋转磁场电机701第二相位第二相电流的控制电流预定参数716-1至716-3。如果例如U是中断相位，那么V或W可以是第二相位。设备718此外还包括可以分别配属于三个相位的比较器720-1至720-3。比较器720-1至720-3构造成用于以比较第二相电流的控制电流预定参数716-1至716-3和实际值724-1至724-3为基础，分别将控制信号722-1至722-3提供至逆变器714。控制信号722-1至722-3在第一比较结果的情况下导致产生第一供应电压值，而在第二比较结果的情况下产生第二供应电压值，并且因此取代了常规的PWM调节器。
换言之，为了实现对相电流的直接调节可以使用图7所示的对电机的操控。在此，可以依赖于中断相位来修正相电流706-1至706-3的额定值(参见图6中的算法600的流程图)。在根据图7操控电机的情况下，可以从d电流和q电流的额定值702-1；702-2通过经由电角度的转换来获知相电流额定值IsuRef、IsvRef和IswRef(706-1；706-2和706-3)。借助图6所描述的算法600可以将相电流额定值修正为控制电流预定参数IsuRefN、IsvRefN和IswRefN(716-1；716-2和716-3)。对相位中断的考虑可以用于修正，由此可以调节出期望的电流。
比较相位的控制电流预定参数716-1至716-3和相应的实际值724-1至724-3可以导致第一或第二比较结果，它们分别可以使功率半导体，例如MOSFET断开或接通。这例如可以作为具有值0或1的数字控制信号再次给出。比较结果可以依赖于控制电流预定参数716-1至716-3与相应的实际值724-1至724-3的差是大于还是小于阈值。在一些实施例中，阈值可以根据差是正的还是负的发生变化。阈值也可以依赖于最后是达到了第一比较结果还是第二比较结果。换言之，在当前的比较中的比较结果可以依赖于差地跟随磁滞曲线的分布。例如，如果在之前最后的比较步骤中的比较结果导致具有值1的控制信号，那么在当前的比较中阈值-a可以适用，或者如果之前的比较结果导致具有值0的控制信号，那么阈值+a可以适用。
也就是说，在图7中首先通过比较器720-1至720-3将当前流动的相电流724-1至724-3与它们的控制电流预定参数716-1至716-3进行比较。据此，通过磁滞回线726-1至726-3获知控制信号Su+、Sv+和Sw+(722-1；722-2和722-3)。磁滞回线726-1至726-3可以根据需要任意选择(例如磁滞度和电流阈值)。控制信号Su+、Sv+和Sw+可以用于操控逆变器的上MOSFET(图2中的210-1；220-1；230-1)。针对下MOSFET(图2中的210-2；220-2；230-2)的操控，操控信号Su-、Sv-和Sw-可以从控制信号Su+、Sv+和Sw+获知，例如Su-＝NOT(Su+)(即，Su+＝1得到Su-＝0)。换言之，控制信号例如可以导致相同相位的上MOSFET 210-1；220-1；230-1的接通并且同时导致相同相位的下MOSFET 210-2；220-2；230-2的切断。在此可以考虑到一个相位中的两个互补的MOSFET之间的截止时间。由此，可以避免由于同时接通相同相位的上和下MOSFET而短路的危险。
当相位中断时，该相位不再能通过逆变器714来操控。在该相位中的电流保持为零。因此，在一些实施例中可以不考虑或甚至切断在该相位中的比较器以及对MOSFET的操控。在该相位中的电流由此可以被迫为零，并且电机已经可以通过根据图7直接调节两个另外的相电流中的至少一个来操控。由此，在相位中断的故障情况下，仅两个比较器和四个MOSFET可以处于运行中，而中断相位的第三比较器和两个MOSFET没有被考虑用来操控电机。
对电机的操控800的可能的整个流程在根据实施例的在图8中的流程图中示出。首先，开始算法802，其中，通过故障信号“断相”确定804相位是否中断。在正常情况下FOR 810运行，而在相位中断的情况下可以切换到根据图7的新的操控。
更确切地说，在中断的情况下，借助关于中断相位的信息604，与图6所示的算法600类似地进行进一步的流程。利用所得到的控制电流预定参数IsuRefN、IsvRefN和IswRefN，可以在与实际电流值Isu、Isv和Isw进行比较之后经由磁滞回线执行直接调节806。因此，提供了控制信号Su+、Sv+和Sw+。
如果不存在中断，那么就可以与图3中的描述类似地执行FOR810。在图3中已经说明的PWM信号的接收808可以通过切换信号发生器实现并以PWM信号为基础提供控制信号Su+、Sv+和Sw+。在这两种情况下都通过逆变器接收812控制信号Su+、Sv+和Sw+，并紧接着结束算法814。
备选地，电机也可以在正常运行时利用根据图7的操控来运行。在此，根据图6的算法在正常运行时可以不考虑，而在相位中断时可以考虑。整个操控的切换在该情况下不是必需的。
随后在根据实施例使用图6(或图8)的算法的情况下示出模拟结果。图9和图10示出针对U中的相位中断的情况。电机在正常情况下以根据图3的FOR来调节，直到t＝0.05s。从t＝0.05s开始模拟相位U中断的故障情况。在该时间点上立即从FOR切换到根据图7的操控。根据图6的算法在此被激活。
在上部的图900-1中可以看到的是，相位U中的相电流910-1由于相位中断而为零。两个电流Isv和Isw改变它们的额定值和实际值。更确切地说，在相位V和W中的相电流910-2(Isv)和910-3(Isw)的控制电流预定参数中分别改变幅度和相位。现在新的相位差是180°而不是120°。两个电流的和为零。在中间的图900-2中可以看到的是，扭矩的平均值920-1等于最大扭矩的一半。在此，在扭矩的实际值920-3的情况下，与图5类似地出现振荡行为。通过在时间上的平均，这就此可以使有效出现的具有明显较小的波动的扭矩相应于额定值920-2的大致一半。由此，利用相位中断情况下的操控可以在相同转速的情况下达到扭矩的一半(或功率的一半)。下部的图900-3此外还示出，在模拟中即使在相位失灵之后，转速930在1000U/min的情况下仍然保持恒定。
为了清晰起见，图10以独立的图1000-1至1000-3再次示出相电流Isu 910-1、Isv910-2和Isw 910-3。上部的图1000-1示出相电流Isu 910-1，其在t＝0.05s时得到值0并且在那里停住。中间的图1000-2示出Isv 910-2，并且下部的图1000-3示出Isw 910-3，其在此在t＝0.05s时稍微改变其幅度。在一些实施例中，像在此所示那样，控制电流预定参数的幅度可以小于相应的额定电流预定参数的幅度。它们的相位同样也发生改变。通过改变Isv和Isw的相位，从t＝0.05s开始，代替在相位U失灵之前存在的120°，两个电流之间的相位差为180°，从而两个电流的和为0。
针对相位V中断的情况以及针对相位W中断的情况达到类似的结果。换言之，这些结果在定性和定量上基本上相应于图9和图10所示的结果。
图11示出根据实施例用于控制多相位的旋转磁场电机在旋转磁场电机的第一相位的第一相电流中断的情况下的紧急运行的方法1100。该方法1100包括组合1110定子固定的坐标系的针对第二相位的第二额定电流预定参数与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数。此外，该方法1100还包括确定1120在定子固定的坐标系中对应紧急运行的针对旋转磁场电机第二相位的控制电流预定参数。该确定1120通过组合定子固定的坐标系的针对第二相位的第二额定电流预定参数与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数来实现。在此，针对第二相位的控制电流预定参数的相位角度和幅度分别不同于第二额定电流预定参数的相位角度和幅度。
再次换言之，实施例可以导致在相位中断的情况下电机能够继续以功率的一半运行。这例如在转向装置或电动汽车中，例如对于继续行驶至下一车间来说可以是有帮助的。此外，电机的简单且直接的调节可以由此实现。相位中的电流传感器由于相位中断的可能的失灵可以得到补偿。在一些应用情况下(例如在转向装置或电动汽车中)不期望的措施(例如在相位中断时紧急切断电机)可以通过实施例来回避。此外，可以在无需更多费用(例如利用在相位线路或逆变器中的冗余等)的情况下实现对相位中断的补偿。
在上面的描述、随后的权利要求和附图中公开的特征不仅以单个形式而且以任意组合的形式都对实现以其不同设计方案的实施例是有意义的，并且可以不仅以单个形式而且以任意组合的形式来执行。
尽管一些方面与设备相结合地进行了描述，但可以理解的是，这些方面也是对相应方法的描述，从而设备的模块或结构元件也可以理解为相应的方法步骤或可以理解为方法步骤的特征。与此类似地，与方法步骤相结合地描述的或者描述为方法步骤的方面也是对相应设备的相应模块或细节或特征的描述。
根据特定的执行要求，本发明的实施例可以在硬件或软件中执行。执行可以在使用数字存储介质，例如软盘、DVD、蓝光光盘、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或Flash存储器、硬盘或其他磁或光存储器的情况下执行，可电子读取的控制信号存储在这些数字存储介质中，这些控制信号与可编程的硬件部分共同作用或可以共同作用以执行相应的方法。
可编程的硬件部分也可以通过处理器、电脑处理器(CPU：Central ProcessingUnit)、图形处理器(GPU：Graphics Processing Unit)、电脑、电脑系统、视应用而定的集成电路(ASIC：Application-Specific Integrated Circuit)、集成电路(IC：IntegratedCircuit)、单芯片系统(SOC：System on Chip)、具有微处理器的现场可编程门阵列(FPGA：Field Programmable Gate Array)或可编程逻辑元件形成。
因此，数字存储介质是可机读或可电脑读取的。也就是说，一些实施例包括具有可电子读取的控制信号的数据载体，这些控制信号可以与可编程的电脑系统或可编程的硬件部分共同作用以执行其中一个在此描述的方法。因此，一个实施例是用于执行其中一个在此描述的方法的程序写在其上的数据载体(或数字存储介质或可电脑读取的介质)。
本发明的实施例通常可以作为具有程序代码的程序、固件、电脑程序或电脑程序产品或者作为数据来执行，其中，当程序在处理器或可编程的硬件部分上运行时，程序代码或者数据起作用与执行其中一个方法。程序代码或数据例如也可以存储在可机读的载体或数据载体上。程序代码或数据尤其可以作为源代码、机器代码或字节代码以及其他中间代码存在。
此外，另一实施例是代表用于执行其中一个在此描述的方法的程序的数据流、信号列或信号序列。数据流、信号列或信号序列例如可以配置成用于通过数据通信连接，例如通过因特网或其他网络来传送。因此，实施例也是适用于通过网络或数据通信连接来发送的代表数据的信号列，其中，所述数据代表程序。
根据实施例的程序例如可以在程序执行期间以如下方式实现其中一个方法，即，读出该存储部位，或者将一个数据或多个数据写入该存储部位中，由此可能导致晶体管结构、放大器结构或其他电构件、光构件、磁构件或根据其他功能原理工作的构件中的切换过程或者其他过程。相应地，通过读出存储部位可以检测到、确定或测定程序的数据、值、传感器值或其他信息。因此，程序可以通过读出一个或多个存储部位检测到、确定或测定大小、值、测量值和其他信息，以及可以通过写入一个或多个存储部位中导致、引起或执行行动，以及可以操控其他设施、机器和部件。
上面描述的实施例仅代表对本发明原理的说明。可以理解的是，对在此描述的布置和细节的修改或改变对于其他专业人员来说是清楚的。因此目的是，本发明仅局限于随后的权利要求的保护范围，而并不局限于在此已经借助对实施例的描述和阐述说明的特殊细节。
附图标记列表
100 相电流矢量
110-1；110-2；110-3 UVW坐标
120-1；120-2 dq坐标
130-1；130-2 αβ坐标
200 逆变器
210-1；220-1；230-1 上MOSFET
215-1；225-1；235-1 上二极管
210-2；220-2；230-2 下MOSFET
215-2；225-2；235-2 下二极管
250 电机
300 FOR调节器
302-1；302-2 基准变量
304-1；304-2 额定电流预定参数
305 反馈信号
306-1；306-2 PI调节器
308-1；308-2 调整参数
310 dq/123转换器
312-1；312-2；312-3 电压预定参数
314 矢量调制器
316 逆变器
318-1；318-2；318-3 PWM信号
320-1；320-2；320-3 运行电压
324 变换器
330 位置传感器
332 机械角度
334 电角度
336 电角速度
338 去耦器
400-1 上部的图
400-2 中间的图
400-3 下部的图
410-1 U电流
410-2 V电流
410-3 W电流
420-1 扭矩的额定值
420-2 扭矩的实际值
420-3 经过滤的扭矩
430 转速
500-1 上部的图
500-2 中间的图
500-3 下部的图
510-1 U相电流
510-2 V相电流
510-3 W相电流
520-1 扭矩的实际值
520-2 经过滤的扭矩
530 转速
600 算法
602 算法开始
604 信息
606-1；606-2；606-3 中断
608-1；608-2；608-3 重新计算
610 提供
612 算法结束
700 结构
701 旋转磁场电机
702-1；702-2 dq坐标系中的额定电流值
704 变换器
705 位置传感器
706-1；706-2；706-3 UVW坐标系中的额定电流值
707 电角度
708 处理器
709 机械角度
710 信号输入端
711 机械角速度
712 故障信号
713 电角速度
714 逆变器
716-1；716-2；716-3 控制电流预定参数
718 设备
720-1；720-2；720-3 比较器
722-1；722-2；722-3 控制信号
724-1；724-2；724-3 实际值
726-1；726-2；726-3 磁滞回线
800 操控
802 算法开始
804 确定
806 直接调节
808 接收
810 接收
814 算法结束
900-1 上部的图
900-2 中间的图
900-3 下部的图
910-1 U相电流
910-2 V相电流
910-3 W相电流
920-1 扭矩的平均值
920-2 扭矩的额定值
920-3 扭矩的实际值
930 转速
1000-1 上部的图
1000-2 中间的图
1000-3 下部的图
1100 方法
1110 组合
1120 确定

Claims (13)

1.一种用于控制多相位的旋转磁场电机(701)在所述旋转磁场电机(701)的第一相位的第一相电流(724-1；724-2；724-3)中断的情况下的紧急运行的处理器(708)，
其中，所述处理器(708)构造成用于通过组合定子固定的坐标系的针对第二相位的第二额定电流预定参数(706-1；706-2；706-3)与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数(706-1；706-2；706-3)以如下方式来确定在定子固定的坐标系中的对应紧急运行的针对旋转磁场电机(701)第二相位的控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)，即，使针对第二相位的控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)的相位角度和幅度分别不同于所述第二额定电流预定参数(706-1；706-2；706-3)的相位角度和幅度，其中，所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)相应于所述第二额定电流预定参数(706-1；706-2；706-3)的值与所述第一额定电流预定参数(706-1；706-2；706-3)的值的一半的和。
2.根据权利要求1所述的处理器(708)，其中，所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)至少部分补偿针对第一相位的第一额定电流预定参数(706-1；706-2；706-3)。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的处理器(708)，其中，所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)的幅度小于所述第二额定电流预定参数(706-1；706-2；706-3)的幅度。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的处理器(708)，其中，所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)的频率相应于所述第二额定电流预定参数(706-1；706-2；706-3)的频率，从而使所述旋转磁场电机(701)在所述第一相电流(724-1；724-2；724-3)中断(606-1；606-2；606-3)之后的转速相应于所述旋转磁场电机(701)在所述第一相电流(724-1；724-2；724-3)中断(606-1；606-2；606-3)之前的转速。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的处理器(708)，其中，所述处理器(708)包括针对具有所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)的信号的输出接口，其中，所述信号导致所述旋转磁场电机(701)以所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)运行。
6.一种用于控制多相位的旋转磁场电机(701)在所述旋转磁场电机(701)的第一相位的第一相电流(724-1；724-2；724-3)中断(606-1；606-2；606-3)的情况下的紧急运行的设备(718)，
所述设备具有信号输入端(710)，所述信号输入端构造成用于接收故障信号(712)，所述故障信号包括关于所述第一相电流(724-1；724-2；724-3)中断(606-1；606-2；606-3)的信息(604)，
其中，所述设备(718)构造成用于接收在定子固定的坐标系中的针对旋转磁场电机(701)的第二相位的第二相电流的控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)，其中，所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)相应于针对第二相位的第二额定电流预定参数的值与针对第一相位的第一额定电流预定参数的值的一半的和，
并且其中，所述设备(718)包括比较器(720-1；720-2；720-3)，所述比较器构造成用于以比较所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)和所述第二相电流的实际值(724-1；724-2；724-3)为基础，将控制信号(722-1；722-2；722-3)提供给逆变器(714)，所述控制信号在第一比较结果的情况下导致产生第一供应电压值，而在第二比较结果的情况下导致第二供应电压值。
7.根据权利要求6所述的设备(718)，其中，如果所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)与所述第二相电流的实际值(724-1；724-2；724-3)的差小于阈值，那么就得到所述第一比较结果，并且其中，如果所述控制电流预定参数(716-1；716-2；716-3)与所述第二相电流的实际值(724-1；724-2；724-3)的差大于所述阈值，那么就得到所述第二比较结果。
8.根据权利要求7所述的设备(718)，其中，如果所述差大于0，那么所述阈值是第一值，而如果所述差小于0，那么所述阈值是第二值。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备(718)，其中，所述逆变器(714)包括至少一个与第二相位连接的第一功率半导体和至少一个与第二相位连接的第二功率半导体，
其中，所述第一比较结果导致所述第一功率半导体接通而所述第二功率半导体关断，并且其中，所述第二比较结果导致所述第一功率半导体关断而所述第二功率半导体接通。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的设备(718)，其中，所述设备还包括至少一个另外的比较器(720-1；720-2；720-3)，并且多个比较器中的第一比较器(720-1；720-2；720-3)配属于所述第一相位，而多个比较器中的第二比较器(720-1；720-2；720-3)配属于所述第二相位。
11.根据权利要求10所述的设备(718)，其中，所述第一比较器(720-1；720-2；720-3)能在所述第一相位失灵的情况下解除激活。
12.一种用于控制多相位的旋转磁场电机在所述旋转磁场电机的第一相位的第一相电流中断的情况下的紧急运行的方法(1100)，所述方法：
将定子固定的坐标系的针对第二相位的第二额定电流预定参数与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数组合(1110)，以及
通过组合定子固定的坐标系的针对第二相位的第二额定电流预定参数与对应电机正常运行的针对第一相位的第一额定电流预定参数来确定(1120)在定子固定的坐标系中的对应紧急运行的针对旋转磁场电机第二相位的控制电流预定参数，
其中，针对第二相位的控制电流预定参数的相位角度和幅度分别不同于所述第二额定电流预定参数的相位角度和幅度，
其中，所述控制电流预定参数相应于所述第二额定电流预定参数的值与所述第一额定电流预定参数的值的一半的和。
13.一种具有用于执行根据权利要求12所述的方法的程序代码的数字存储介质，所述程序代码在电脑、处理器或能编程的硬件部分上实施。
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