CN104755310A - 具有开关频率的移动的驱动方法和驱动设备 - Google Patents

Abstract

如果经由换流器从中间回路给多个电动机馈电，那么中间回路中的电流具有多个谐波（-5.，-3.，-1.，+1.，+3.，+5.）。为了避免中间回路的耦合电容过载，移动换流器的开关频率，使得谐波不处于共振范围（7）中。

Description

具有开关频率的移动的驱动方法和驱动设备

技术领域

本发明涉及一种用于通过如下方式驱动具有至少两个电动机的车辆的方法：通过各一个换流器用各一个具有相应的电动机频率的控制信号来控制电动机中的每个，并且用电流源的电流经由中间回路给换流器供电，所述中间回路具有共振频率。换流器具有共同的开关频率，并且在中间回路中出现在那里流动的电流的频谱分量，所述频谱分量具有电动机频率的在开关频率附近的谐波。此外，本发明涉及一种用于车辆的相应的驱动设备。

背景技术

存在电运行的车辆，在所述车辆的驱动系中设有两个电动机，所述电动机彼此分开地控制。因此，电动机速度进而还有电动机频率不必是相同的。

如本发明所基于的驱动设备在图1中描述。驱动系在此示例地具有两个电动机1和2。这两个电动机在此被构造为三相电动机。两个逆变器或换流器3和4用于控制电动机1和2。换流器3和4经由中间回路5由电池6或其他的电流源馈电。根据图1中示出的等效电路图，到换流器3的馈电线具有电阻R1和导线电感L1。将耦合电容C1连接在换流器3上游，所述耦合电容属于中间回路5。到换流器4的馈电线具有欧姆电阻R2和导线电感L2。将耦合电容C2连接在第二换流器4上游。

中间回路5由具有电池电感L3和内电阻R3的电池6馈电。然而对于进一步的考虑，忽略欧姆电阻R1至R3。此外，电池电感L3高至使得其相对于导线电感L1和L2对于高动态范围而言能够是可忽略的。

根据上述简化，得到中间回路5的简化的电路图，所述简化的电路图在图2中示出。该电路图示出电容C1和电感L的串联电路，其中电容C2与该串联电路并联。电感L对应于导线电感L1和L2的总和。电流i1流入电容C1和电感L之间的节点中，所述电流离开第一换流器3（参见图1）。此外，电流i2流入电感L和电容C2之间的节点中，所述电流i2离开第二换流器4。电流iL流经电感L。

图2的系统具有共振频率，这能够从图3的系统响应中得出。当导线电感为1.5μH并且换流器电容C1和C2分别为600μF时，所述共振频率例如为5.3kHz。实际上，系统中的共振通过欧姆电阻被衰减。

在所观察的情况下，换流器3和4为电动机1和2产生脉宽调制（PWM）的控制信号。PWM频率例如为8kHz。因为所述频率位于中间回路的共振频率附近，所以换流器3和4的PWM信号的一些频谱分量也位于共振频率附近。所述信号分量根据图3的系统响应被放大。所述不期望的放大使中间回路电容或输入电容C1和C2负荷。所述电容因此应该相应地进行设计。此外，由于不期望的放大或共振过高形成显著的功率损失。

在图1的系统中，在运行期间基本上出现三个具有其谐波的振动。一方面，这例如是8kHz的频率，换流器以所述频率运行。另一方面，电动机例如以120Hz的平均电速度运行。由于换流器和电动机中的不理想的现象，由此在中间回路中得到谐波，所述谐波对应于电动机频率的六倍频率进而在所选择的实例中为720Hz。此外，通过如下方式实现第三振动，即这两个电动机例如具有20Hz的速度差。

为了更好地理解在中间回路中流动的电流iL的频谱，如下分析基于动态模型。其中，仅表现出高的频率。换流器在8kHz的固定脉冲频率下工作。由于换流器/电动机系统中的非线性，8kHz的频率用作为电流信号的调制载体。

换流器的PWM频率能够记作为

。

电动机频率用ω_MOTOR表示。

于是得出电动机的直流电流

因此，电动机产生两个谐波，如显示出上述余弦幅角。所述余弦幅角由电动机频率和换流器频率的正弦值的乘积得出。

驱动系统或驱动设备的电动机中的每个产生这样的电流i1和i2，如这也在图1和2中表明。这两个电流方向相关地相加，使得得到如下总电流：

。

最后，得到各两个在换流器的开关频率和附近的谐波：

下面的仿真示出时域中的在中间回路中出现的电流iL。频率如下选择：

即两个换流器的频率在此相同地选择，使得对于换流器存在共同的开关频率。电动机频率相差20Hz。

图4和5示出基于上述频率的仿真的电流信号iL。在此，图5以放大的比例示出图4中的0.04s和0.05s之间的部分。

在那里，于是也能够识别信号的精细结构并且尤其是换流器的开关频率。

仿真的信号的频谱在图6中描述。在那里，显示出7300Hz和8700Hz的主要的频谱分量。所述频谱分量由电动机速度引起，所述电动机速度提供700Hz的频率。即连同换流器的8kHz的PWM频率一起得到8000Hz-700Hz=7300Hz或8000Hz+700Hz=8700Hz。

如图7的频谱的放大的部分示出：电动机速度中的小的差别导致两个不同的谱线。一个谱线实际上为7300Hz，而另一谱线比其小12Hz为7288Hz。

如果在仿真时也考虑由电动机频率引起的在开关频率附近的较高的奇数谐波，那么得到在图8中示出的频谱。在此，关于通过电动机频率和平均的电动机频率引起的700Hz的频率形成朝8kHz的开关频率的左侧和右侧的奇数谐波。特别是，在开关频率右侧上形成正的谐波“+1.”、“+3.”、“+5.”等。在左侧上形成负的谐波“-1.”、“-3.”、“-5.”等。

只要这些频率不位于根据图3的中间回路或系统的共振频率附近，所述频率通常就不是问题。然而当电动机速度改变时，谐波频率也改变，并且能够出现：所述谐波频率之一处于共振范围中并且在那里过度地被放大。驱动设备的器件于是必须经受住电流过高并且还由此造成功率损失。

发明内容

因此，本发明的任务在于：提供一种用于驱动车辆的方法，借助所述方法能够实现更小的功率损失并且该方法能够实现将器件设计得更小。

根据本发明，所述任务通过一种用于通过如下方式驱动具有至少两个电动机的车辆的方法来解决

-通过各一个换流器用各一个控制信号来控制电动机中的每个，所述控制信号具有相应的电动机频率，以及

-用电流源的电流经由中间回路给换流器供电，所述中间回路具有共振频率，其中

-所述换流器分别具有开关频率，和

-在中间回路中出现在那里流动的电流的频谱分量，所述频谱分量具有在相应的开关频率附近的由电动机频率所导致的谐波，其中，

-每个换流器的开关频率被调节或控制，使得在相应的开关频率附近的谐波中的至少一个总是具有至少一个距共振频率可预设的间距。

此外，根据本发明提供一种用于车辆的驱动设备，其具有

-用于用各一个控制信号来分别控制电动机的至少两个换流器，所述控制信号具有相应的电动机频率，和

-中间回路，经由所述中间回路能够由电流源给至少两个换流器供电并且所述中间回路具有共振频率，其中

-至少两个换流器分别具有开关频率，和

-在中间回路中在运行时出现在那里流动的电流的频谱分量，所述频谱分量具有在相应的开关频率附近的由电动机频率所导致的谐波，其中

-换流器的开关频率被调节或控制，使得在相应的开关频率附近的谐波中的至少一个总是具有至少一个距共振频率可预设的间距。

因此有利地，在换流器中，移动开关频率或共同的开关频率。通过该移动，确保距中间回路（换流器的耦合电容也属于该中间回路）的共振频率的预设的间距。在此可以涉及最小间距，在该移动时也可以超过所述最小间距。因此能够实现：在中间回路的共振频率处或其附近的共振范围没有谐波。因此，不出现过高电流并且换流器的耦合电容能更小地设计。此外，较少地出现功率损失。

优选地，通过可预设的间距在共振频率附近的两侧得到一个范围，所述范围不被至少一个谐波占据。因此，在共振频率的两侧预设最小间距，所述最小间距能够由谐波遵守。

至少一个谐波能够是第一谐波，所述第一谐波通过电动机频率产生。所述第一谐波由相应的电动机频率的六倍得出。

此外，能够将每个换流器的开关频率调节或控制成，使得在开关频率附近的全部第一谐波总是分别具有距共振频率预设的间距。这表示：不仅正的第一谐波，而且负的第一谐波必须遵守所提出的间距。

此外，也能有利的是，除第一谐波之外，全部第三谐波也分别具有距共振频率的可预设的间距。这尤其是应当在以下情况下所力求的，即第三谐波具有高的幅度，使得其在共振过高时能够高度地使换流器的耦合电容器负荷。

在本文中，必要时也有利的是，每个换流器的开关频率仅当在开关频率附近的第一和第三谐波不遵守分别可预设的间距时才改变。即如果例如第五和更高的谐波具有低至使得其由于共振过高而不过度地使换流器的耦合电容器负荷的幅度，那么当第五或更高的谐波处于共振频率的范围中时能够放弃改变换流器的开关频率。

尤其优选的是，可预设的间距根据相应的频谱分量的幅度来选择。典型地，第一谐波具有比第三谐波更高的幅度。在该情况下，第三谐波距共振频率的要遵守的最小间距小于第一谐波距共振频率的最小间距，因为第三谐波于是能够比第一谐波更强地被放大，而没有引起负面结果。

电动机的控制信号能够是脉宽调制的信号。因此本发明能够应用于常用的换流器。

通过上述的方法步骤，也间接地定义如下装置，借助所述装置能够实现所述方法步骤并且所述装置能够是相应的驱动设备的部分。

附图说明

现在，根据所附的附图详细阐述本发明，其中：

图1示出用于具有两个电动机的车辆的驱动设备的视图，该视图也能够是本发明的基础；

图2示出图1的中间回路的简化的电路图；

图3示出图2的中间回路的传递函数；

图4示出中间回路中的仿真的电流变化；

图5示出图4的信号的放大的部分；

图6示出图4的信号的频谱；

图7示出图6的频谱的一部分；

图8示出具有多个谐波的仿真的信号的频谱；

图9示出共振范围中的谐波；

图10示出从共振范围向下移出的谐波；

图11示出从共振范围向上移出的谐波；和

图12示出共振频率附近的不同的空出的范围。

具体实施方式

下面详细描述的实施例为本发明的优选的实施方式。

根据本发明的方法基于在上面结合图1至8阐述的方法。因此，参考这些附图的描述。附加地，换流器3、4被设计用于：其能够自动地改变其开关频率或者其被控制使得改变其开关频率。因此，改变换流器频率（例如PWM频率或者其他的数字的调制频率），因此不激励中间回路的共振频率。所述方法能够用于两个或更多个开关换流器。

如开始所示出，中间回路中的频率与电动机频率ω_MOTOR相关并且与换流器或开关频率ω_INV相关。在此，通过每个换流器在直流电流侧上产生如下的谐波频率（下面也表示为“通过电动机频率产生的谐波”）：

在此，k表示正或负的整数，其中包括0。

在中间回路的共振频率附近能够定义如下范围，所述范围必须不被可能的谐波占据，所述谐波通过上式定义。被布置在开关频率ω_INV的两侧的所述谐波如所提及那样在图8中示出。

现在，基本思想在于：将任何谐波留在共振频率附近的可预设的或已预设的范围之外。换而言之：应确保谐波距共振频率的最小间距。

现在为了避开禁止的或要空出的范围，因此在下面的实例中改变PWM频率。对于下面的实例，在说明书的开始部分中的实例的变量也如下被采用：

因此，又得到5.3kHz的中间回路的共振频率。

用于这两个换流器的开关频率位于8kHz。

在电动车辆的驱动系处的测量显示出：基本上仅第一、第三和第五谐波是重要的。因此，随后仅考虑所述谐波。

车辆速度例如直接地与电动机转速耦合进而也与电动机频率耦合。电动机频率的范围能够位于0和300Hz之间。如果电动机频率例如为150Hz，那么在中间回路的频谱中得到如下频率或谐波：

。

这表示：负的第三谐波位于中间回路的共振范围7中，这也在图9中示出。现在，例如在5.1kHz和5.5kHz之间定义禁止范围。这表示：中间回路中的电流的谐波不允许处于所述范围中，即所述谐波必须在共振频率的两侧遵守200Hz的最小间距。该规定例如能够仅适用于第一谐波或第一和第三谐波或者第一、第三和第五谐波等。

如果现在PWM信号改变200Hz，那么充分地移动负的第三谐波，以便离开共振范围7。通常，换流器频率从8kHz下降200Hz到7.8kHz，以便降低一个或多个换流器中的损失。由此，出现根据图10的频谱。能够识别的是，负的第三谐波布置在共振范围7之下。负的第三谐波于是处于ω_-3=7800-3·6·150=5100Hz。

替代地，PWM频率当然也能够向上移动200Hz到8.2kHz上，以便例如获得信号的更好的正弦形状。负的第三谐波于是位于ω_-3=8200-3·6·150=5500Hz中。

如图11示出，负的第三谐波于是位于禁止的共振范围7之上。因此能够在没有硬件改变的情况下避免将系统激励到共振中。

图12更确切地示出如何能够定义谐波距共振频率f_res的可预设的间距。如在图3中，在此也示出尤其在共振频率f_res的范围中的传递函数8。中间回路中的电流信号的第一谐波例如应当最高放大3dB。由此，得到共振频率附近的范围9，第一谐波不允许进入到该范围中。所述范围9能够相对于共振频率f_res是对称的或不对称的。在对称的情况下，该范围因此从f_res-Δf延伸至f_res+Δf，其中Δf说明距共振频率f_res的要遵守的最小间距。在不对称的情况下，例如左侧上的距共振频率f_res的要遵守的最小间距大于右侧上的要遵守的最小间距。

如果谐波允许被放大例如6dB，那么其允许更靠近共振频率。因此，当仅允许3dB放大时，禁止的范围10也小于范围9。于是相应地，最小间距Δf'也小于Δf。

禁止的范围9、10能够针对每个谐波不同地定义。例如，所述范围能够与谐波的幅度相关。因此当第一谐波的幅度大于第三谐波的幅度时，第三谐波能够更靠近共振频率，而没有超过预设的最大电流。

但是，禁止的范围9、10也能够与一个或多个换流器的总共所要求的功率相关。即如果例如要求小的功率，那么谐波能够更靠近共振频率，而没有超过临界的电流强度。相反地，在要求高的功率的情况下谐波必须离共振频率更远。

因为因此根据上述实例防止超过中间回路中的临界的电流强度，所以更小地负荷换流器的耦合电容进而能够针对更小的电流强度或功率进行设计。

Claims (10)

1.用于通过如下方式驱动具有至少两个电动机（1，2）的车辆的方法：

-通过各一个换流器（3，4）用各一个控制信号来控制所述电动机中的每个，所述控制信号具有相应的电动机频率，

-用电流源（6）的电流经由中间回路（5）给所述换流器供电，所述中间回路具有共振频率，其中

-所述换流器（3，4）分别具有开关频率，和

-在所述中间回路（5）中出现在那里流动的电流的频谱分量，所述频谱分量具有在相应的开关频率附近的由所述电动机频率所导致的谐波（-5.，-3.，-1.，+1.，+3.，+5.），

其特征在于，

-每个换流器（3，4）的开关频率被调节或控制，使得在相应的开关频率附近的所述谐波中的至少一个总是具有至少一个距共振频率（f_res）可预设的间距（Δf，Δf’）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过可预设的所述间距（Δf，Δf’）在所述共振频率附近的两侧得到以下范围（9，10），所述范围不被所述至少一个谐波占据。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一个谐波是第一谐波（-1.，+1.），所述第一谐波通过所述电动机频率产生。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述换流器（3，4）的开关频率被调节或控制，使得在所述开关频率附近的全部第一谐波（-1.，+1.）总是分别具有距所述共振频率可预设的间距。

5.根据权利要求4所述的方法，其中除所述第一谐波（-1.，+1.）之外，全部第三谐波（-3.，+3.）也分别具有距所述共振频率的可预设的间距。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述换流器（3，4）的开关频率仅当在所述开关频率附近的所述电动机频率的第一和第三谐波不遵守分别可预设的间距时才改变。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述可预设的间距（Δf，Δf’）根据相应的频谱分量的幅度来选择。

8.根据权利要求7所述的方法，其中针对第一谐波的所述可预设的间距（Δf，Δf’） 大于针对第三谐波的。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电动机（1，2）的控制信号是脉宽调制的信号。

10.用于车辆的驱动设备，其具有

-用于用各一个控制信号来分别控制电动机（1，2）的至少两个换流器（3，4），所述控制信号具有相应的电动机频率，和

-中间回路（5），经由所述中间回路能够由电流源（6）给至少两个所述换流器（3，4）供电并且所述中间回路具有共振频率（f_res），其中

-至少两个所述换流器（3，4）分别具有开关频率，和

-在所述中间回路（5）中在运行时出现，在那里流动的电流的频谱分量，所述频谱分量具有在相应的开关频率附近的由所述电动机频率所导致的谐波（-5.，-3.，-1.，+1.，+3.，+5.），

其特征在于，

-所述换流器（3，4）的开关频率被调节或控制，使得在相应的开关频率附近的所述谐波中的至少一个总是具有至少一个距共振频率可预设的间距（Δf，Δf’）。