CN105073487A - 用于操控电机的方法 - Google Patents

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Abstract

车辆具有N相电机、具有第一车载子电网(BN1)和第二车载子电网(BN2),其中,电机包括转子和定子系统(1),第一车载子电网包括逆变器(2),定子系统配设给逆变器,并且能够利用逆变器调节器根据磁场定向控制的原理来运行电机,从而电机配设有控制单元(6),通过所述控制单元能够控制逆变器,并且所述控制单元以相移操控方法的形式控制逆变器。

Description

用于操控电机的方法
技术领域
本发明涉及一种车辆,所述车辆具有N相电机、具有第一车载子电网和具有第二车载子电网,其中,电机包括转子和定子系统,第一车载子电网包括逆变器,定子系统配设给逆变器,并且能够利用逆变器调节器根据磁场定向控制的原理来运行电机。
背景技术
通常在车辆中作为电能消耗器的部件由具有14V的额定电压水平的车载电网进行供电。二次12V蓄能器在车载电网中根据运行情况承担能量源的功能或者能量阱的功能,所述蓄能器和14V发电机按照如下要求设计,即,在车辆中提供通常为1.5至3kW的电功率。
如果在所述车辆的车载电网中集成有多个具有提高的功率需求的消耗器,则所述车载电网具有两个或多个车载子电网。于是,直流调节器在所述两个车载子电网之间传递电功率。电机在具有电气化的传动系的车辆中也能够电动机式地运行,除了每个车载子电网分别至少一个蓄能器之外,所述电机具有作为电能源或电能阱的功能。这样的车载电网拓扑例如描述在文献DE10244229A1中。
发明内容
本发明的任务在于,描述一种改善的车辆,所述车辆具有N相电机、具有第一车载子电网和具有第二车载子电网,其中,电机包括转子和定子系统,第一车载子电网包括逆变器,定子系统配设给逆变器,并且能够利用逆变器调节器根据磁场定向控制的原理来运行电机。
该任务通过按照权利要求1的车辆得到解决。本发明有利的实施形式以及进一步扩展方案从独立权利要求中得出。
按照本发明,所述电机配设有控制单元,能够通过所述控制装置控制逆变器并且所述控制单元以相移操控方法的形式对逆变器进行控制。
这意味着,所述电机的定子系统配设给逆变器,并且所述电机能够利用电流调节器根据磁场定向控制来运行,其中,使用相移操控方法,所述操控方法不仅利用寄生电感而且利用电机的主电感对星形接点电流进行平滑。
换言之涉及如下车辆,所述车辆具有N相电机、具有一个第一车载子电网和至少一个第二车载子电网,其中,电机包括转子和定子系统,第一车载子电网包括逆变器,所述逆变器用于将DC电压转换为AC电压。其可以是电桥电路或其他的拓扑例如多级变流器。在施加电压时用于平滑输入电压的中间电路电容器或者在施加电流时用于平滑输入电流的中间电路阻流圈处于所述逆变器的输入端上。
根据本发明的一种优选变型方案有利的是,所述定子系统以星形连接实施,所述星形接点与第二车载子电网能够直接或通过星形接点开关进行连接,逆变器调节器包括电流调节器和星形接点调节器,所述电流调节器调节定子系统的相电流,并且所述星形接点调节器调节星形接点电流。
符合目的是,所述车辆包括用于测量至少N-1相相电流以及星形接点电流中的多个的测量器件,或者所述车辆包括用于测量至少N相相电流中的多个的测量器件,或者所述车辆包括用于测量中间电路电流的测量器件,其中,所测量的中间电路电流根据电压零矢量至少能实现间接地确定电机的N相相电流,并且所述控制单元包括逆变器调节器。
根据一种优选的设计,所述相移操控方法使星形接点电流平滑,其中,所述星形接点电流通过寄生电感和通过电机的主电感进行平滑,并且在电机的每相相互之间在时间上的偏移相互间能调整。
在此,所述各个相的相移操控通过各自的脉冲模式实现并且所述脉冲模式有利地移动360°/N的角度。
按照本发明另一个变型方案,所述操控方法的相移用于通过使星形接点电流的电流纹波最小化对星形接点电流进行平滑,并且在调节星形接点电流时,所述相移在电机的一个回转上平均来说在转子中无转矩地起作用。
这意味着,在电机的一个回转上平均地在转子中不产生附加的转矩。
特别有利的是,在产生脉冲模式时对于提高的调整频率能利用操控方法的相移,以便为了改善效率而降低逆变器的开关频率或在预定的开关频率的情况下由电机转速所限定的脉宽调制(PWM)的运行区域朝向电机较高转速的方向扩展,并且所述星形接点调节器提供用于操控方法的调整值。
因此在预定的开关频率的情况下,能够将由电机的极变化频率以及因此电机的转速所限定的PWM运行区域向较高的转速扩展。
从本发明另一个的符合目的实施形式中得到,所述测量器件测量电机的N个电流(lu、lv、lw),并且所述控制单元将所测量的电流(lu、lv、lw)通过扩展的克拉克-帕克变换转换为磁场定向的电流矢量(ld、lq、l0),所述电流矢量具有形成磁通的分量(ld),具有形成转矩的分量(lq)以及具有零电流分量(l0),其中,所述星形接点电流(IStern)是零电流分量的三倍。
附加地有利的是,所述逆变器调节器作为调节参量具有形成磁通的分量,所述逆变器调节器作为调节参量具有形成转矩的分量,所述逆变器调节器作为调节参量具有零电流分量,所述逆变器调节器作为理论参量具有用于形成磁通分量的第一理论电流量(l* d),所述逆变器调节器作为理论参量具有用于形成转矩分量的第二理论电流量(l* q),所述逆变器调节器作为理论参量具有星形接点理论电流(l* Stem),所述逆变器调节器作为调整参量输出第一定子调整电压(U* d),所述逆变器调节器作为调整参量输出第二定子调整电压(U* q)并且所述逆变器调节器作为调整参量输出第三定子调整电压(U* 0)。
符合目的地,这点通过如下方式进行补充,N相电机实施为3相电机,所述逆变器包括六个逆变器开关(HS1、HS2、HS3、LS1、LS2、LS3),所述六个逆变器开关设置在用于定子系统的所述三个相的三个半桥中,第一定子调整电压、第二定子调整电压以及第三定子调整电压能够通过扩展的克拉克-帕克逆变换转换为定子系统的相电压(Ua、Ub、Uc),并且所述逆变器在一个开关周期中根据脉宽调制的原理对各相中的每相的相电压进行接通。
根据本发明另外一个变型方案,在星形接点开关闭合的情况下,所述电机在星形接点电流(IStern)具有从星形接点到第二车载子电网的电流方向的情况下将电功率从第一车载子电网传输到第二车载子电网并且作为降压转换器起作用。
在直接连接或星形接点开关闭合的情况下,所述电机在星形接点电流(IStern)具有从第二车载子电网到星形接点的电流方向的情况下将电功率从第二车载子电网传输到第一车载子电网并且作为升压转换器起作用。
此外通过预定星形接点理论电流以及调节星形接点调整电压能够对星形接点电流(IStern)进行调节,并且所述电机在星形接点开关闭合的情况下作为双向功率调整器起作用。
附图说明
以下将根据附图对本发明的一个优选实施例进行描述。由此得出本发明其他的细节、优选的实施形式以及进一步扩展方案。详细地示意性地示出:
图1示出具有受载荷的星形接点的电机的示意性拓扑,
图2示出用于减少星形接点电流的电流纹波的脉冲模式生成的优化,
图3示出利用三角形调制器生成对称的脉冲模式的原理,
图4示出在三角形调制期间通过多倍调整占空比生成相位移动的脉冲模式,
图5示出通过相同类型的调制器之间的相移以及恒定的占空比生成相位移动的脉冲模式,
图6示出通过不同的调制器类型在对于不同相具有相同的占空比的情况下生成相位移动的脉冲模式。
具体实施方式
按照图1的实施形式示例性地示出具有转子和定子系统(1)的实施为三相电机的N相电机。所述三相标记为(u、v、w)。所述电机配设有逆变器(2)和中间电路电容器(3)。电机、逆变器和中间电路电容器是车辆的第一车载子电网(BN1)的组成部分。此外,该车载子电网具有至少一个电蓄能器(3'),所述电蓄能器能够实施为电化学蓄能器。对不仅能够发电机式而且能够电气式运行的电机的操控通过逆变器根据本领域技术人员已知的磁场定向控制(FOR)来实现。对此,所述逆变器优选构造为桥路变流器,亦即,电机的每相配设有逆变器的电气半桥。半桥由两个开关的串联电路组成,其中,配设有较高电位的开关分别标记为高侧开关(HS1、HS2、HS3)并且配设有较低电位的开关分别标记为低侧开关(LS1、LS2、LS3)。
备选于桥路变流器也能够使用多级变流器。此外,不失一般性地基于桥路变流器进行阐述。
此外,车辆具有第二车载子电网(BN2),所述车载子电网例如包括具有可选的中间电路电容器(4)的第二电蓄能器(4')以及电消耗器(12)。能够示出所述第二车载子电网的不同的实施形式。对于这些实施形式共同的是,第二车载子电网的较低电位对应于第一车载子电网的较低电位。特别是,第二车载子电网的较高电位与第一车载子电网的较高电位之间不存在电气连接。
然而,所述电机的星形接点(1a)与第二车载子电网的较高电位持久地电气连接或能够通过标记为星形接点开关(5)的开关电气连接。
通过这种拓扑能够省去一个单独的直流调节器,所述直流调节器的功能通过N相电机与星形连接中的至少一个绕组、逆变器、可选的在电机的星形接点与第二车载子电网的较高电位之间的双向阻断开关(所述第二车载子电网的电压有利地低于第一车载子电网的电压)以及用于电压平滑的输出电容器的组合进行承担。用于确定星形接点电流的前提是,能够对N相中或N-1相中的所有电流+电机的星形接点电流或者通过中间电路电容器的总电流进行测量。然而,后者的方法将导致如下局限性,即,只有在没有设置电压零矢量时才能进行测量,亦即,以电桥电路为例所有上面的开关或者所有下面的开关从不同时闭合。
用于调节星形接点电流的合适的方法例如是利用了扩展的克拉克-帕克变换中的零分量的磁场定向控制,所述克拉克-帕克变换以确定磁场定向坐标系中的d电流/q电流和0电流为前提。所述变换方程能够如下给出:
(方程1)
与正常克拉克-帕克变换相比可看出,星形接点电流在此没有取0,而是系统中的另一个自由度。对于需要用于转动转子固定的坐标系的电角度βel一般适用:
βel=βmech·ZpS
βS为在异步电机的情况下与转差(Schlupf)相关的附加部分,所述附加的部分根据电动机式或发电机式的运行可以是正的或负的。在同步电机的情况下,该参数置为0。
现在,借助于调节器能够将在方程1中所确定的电流I0的实际值调节到所定义的理论值上。作为常见的调节器类型不仅能够使用具有可选择的比例部分和/或积分部分和/或微分部分的连续调节器以及状态调节器或者还能够使用具有例如两点或三点状态的非连续调节器或模糊调节器。由于简单以及常见的实践以下将基于PI调节器进行阐述,所述PI调节器在现有技术中通常以数字的形式在控制单元中实施。
所述星形接点调节器输出定子调整电压作为调整值,所述定子调整电压提供给扩展的克拉克-帕克逆变换。这可以如下给出:
(方程2)
所述由此产生的调整电压能够在控制单元内提供给PWM调制器,所述PWM调制器由此产生用于操控逆变器的脉冲模式信号。在操控方法中没有其他的措施的情况下,如在图3中示出的那样,产生对称的脉冲模式以及因此如此运行逆变器,使得星形接点电流在时间上同步地划分到电机的N相的每个上。虽然由此防止在电机中产生可能导致转子中的转矩的主磁通,但是由此电机的主电感也不起作用,从而仅能利用寄生电感对星形接点电流进行平滑。
下面的推导说明了这一点:
从在定子固定的UVW系统中的电机一般的电压方程导出:
所述磁通一般通过以寄生电感Lσ,uvw起作用的部分以及以主电感Lm起作用的部分进行描述
Ψ ‾ u v w = L σ , u v w · E → · I ‾ u v w + L m · M ‾ · I ‾ u v w
在应用单位矢量以及矩阵的情况下,所述矩阵示出各相互相之间的几何布置。
E ‾ = 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ,
借助于扩展的克拉克-帕克变换能够以一般的形式如下地给出在转子固定的d/q/0坐标系中的磁通方程:
Ψ ‾ d q 0 = Ψ d Ψ q Ψ 0 = L σ , u v w · E ‾ · I d I q I 0 + 3 2 · L m 0 0 0 3 2 · L m 0 0 0 0 . I d I q I 0 (方程3a)
对于在d或q轴中具有明显的凸极性(Schenkligkeit)的电机也能够在方程3a中代入相应的电感Ld和Lq
Ψ ‾ d q 0 = Ψ d Ψ q Ψ 0 = L σ , u v w · E ‾ · I d I q I 0 + L d 0 0 0 L q 0 0 0 0 . I d I q I 0 (方程3b)
能够看到,主电感Lm的分量没有作用到零电流I0上,而是对于电流平滑仅寄生电感Lσ,uvw起作用。因为根据一般的现有技术在电机中力求将寄生电感保持得尽量小,这有利于定子和转子之间的良好的磁场耦合,所述这点结果可能导致在星形接点电流中非常高的电流纹波。
下面的例子说明了这点:
从扩展的克拉克-帕克变换得到的零电流I0基本上均匀地以各自1/N地分布到电机的N个相上。
I 0 = 1 3 · I U + 1 3 · I V + 1 3 · I W + ...
以三相电机为例对于零电流得出:
因为所述分别偏移120°的正弦电流的和为零并且目标也在于在所有相中存在相同的幅值,所以星形接点电流可以简化为IStern=3·IO进行描述。
如果现在例如发生从车载子电网1到车载子电网2的能量传递,则对于本领域技术人员已知的降压转换器的电流纹波以一般的形式可以如下地给出:
ΔI 0 = U e - U a L · D · t s
ΔI S t e r n = 3 · ΔI 0 = 3 · U e - U a L σ , u v w · D · t s
对于降压转换器,占空比D定义为周期持续时间ts对应于开关频率fs的倒数。如果例如车载子电网1的当前电压为Ue=48V,车载子电网2的当前电压为Ua=2V,电机的寄生电感数量级为20μΗ并且逆变器具有ts=62.5μs的开关周期持续时间运行,则在星形接点电流中的电流纹波为
ΔI s t e r n = 3 · 48 V - 12 V 20 μ V s / A · 12 V 48 V · 62.5 μ s ≈ 84.4 A
对于以相反的方式应进行从车载子电网2到车载子电网1的能量传递的情况,所述系统作为对于本领域技术人员已知的升压转换器运行。在升压转换器的情况下一般如下地给出电流纹波
ΔI 0 = U e L · D · t s
在升压转换器的情况下,占空比定义为
D = U a - U e U a
因为与降压转换器运行中相同的电感起作用,在假设相同边界条件的情况下,对于星形接点电流如在降压转换器运行中同样得出电流纹波
ΔI S t e r n = 3 · ΔI 0 = 3 · U e L σ , u v w · U a - U e U a · t s
ΔI s t e r n = 3 · 12 V 20 μ V s / A · 48 V - 12 V 48 V · 62.5 μ s ≈ 84.4 A
该数量级的电流纹波将导致:在没有附加安装的外部的平滑电感的情况下必须对输出电容器(12)非常大地设计尺寸。
所述由调节器所产生的以磁场定向的形式的调整电压或者直接借助于克拉克-帕克逆变换根据方程2转换为定子固定的调整电压并且提供给PWM调制器或者借助于克拉克逆变换
U α * U β * U 0 * = 1 0 1 - 1 2 3 2 1 - 1 2 - 3 2 1 · U d * U q * U 0 *
首先转换为定子磁通定向的分量能够从这些分量通过本领域技术人员已知的空间向量调制方法对电机的每相产生相应的用于PWM调制器的占空比。
所述用于操控逆变器的脉冲模式在此以如下类型进行修改,即,不仅利用寄生电感而且利用电机的主电感来对星形接点电流进行平滑。
在所属于此的图2至6中分别在纵轴上示出脉冲模式,在横轴示出时间t。从相应相的占空比的值(同样地在纵轴上)与相应的调制器信号(纵轴上的虚线)相联系地得出所述脉冲模式。如果所述调制器信号取占空比的值或局部最大值,则基本上发生相应相中的脉冲的切换,由此例如在对于每相不同的调制器类型的情况下造成脉冲模式的相移(见图6)。在图3至6中示出在两个周期持续时间ts的时间段上的脉冲模式。
所述脉冲模式的调制可以通过如下方式产生,即,在电机中应用常见的并且本领域技术人员已知的中心对齐的脉冲模式生成,然而由逆变器调节器产生的占空比在一个调制周期期间被多倍调整。在此有利的是,所述调制器对于所有相能够保持不变。所述调整频率在调制周期期间例如能够增加2倍,其方式为,如此修改逆变器调节器输出的用于每相的占空比,使得得到2个不同的值,然而平均来说在一个调制周期上得出相同的值,正如每个调制周期仅对占空比调整一次。这例如可以通过如下方式实现,即,以双倍频实施电流调节,其中,由此也必须双倍快地实施所有的克拉克-帕克变换。此外能够将空间矢量调制的零矢量不同地分布在一个调制周期内。
另一种方式是,将之前已经计算过的模式保存在控制单元的存储器中并且在需要时进行调用。图4示出相应的实施形式。
此外,所述占空比也可以在所有相上保持恒定并且分别以上升或下降的形式结合地应用不同的调制器类型如三角形或锯齿(见图5)。所述后两种实施形式对于本领域技术人员而言作为边缘对齐方法而已知。最后一个也是最有利的用于产生相位移动的脉冲模式的方式应用了相同的调制器,例如三角形调制器以及对所定义的在各个相之间的时间上的偏移进行调整(见图6)。这是最简单的实施类型并且提供了最多的自由度,因为一方面所述在各个调制器之间的相移在运行期间能够符合需求地进行调整,另一方面对于电机的相数的匹配是可能的,其方式为,所述相移例如调整为:
相移=360°/N相。
图2以三相电机为例示出,在星形接点电流中的电流纹波在不改变V相的脉冲模式的情况下通过U相和W相的脉冲模式的移动而显著降低超过50%。
附图标记列表
1以星形连接的N相电机
1a星形接点
2逆变器,例如电桥电路或多级变流器
3用于车载子电网1的中间电路电容器,所述车载子电网配设给逆变器
3'车载子电网1的蓄能器
4车载子电网2的蓄能器
4'用于车载子电网1的中间电路电容器
5用于与具有(可选的)车载子电网2的较高电位的星形接点进行连接的开关
6控制装置(SV)
11车载子电网1中的消耗器
12车载子电网2中的消耗器

Claims (13)

1.车辆,所述车辆具有N相电机、具有第一车载子电网(BN1)和具有第二车载子电网(BN2),其中,电机包括转子和定子系统(1),第一车载子电网包括逆变器(2),定子系统配设给逆变器,并且能够利用逆变器调节器根据磁场定向控制的原理运行电机,其特征在于,
-所述电机配设有控制单元(6),
-能够通过所述控制装置控制逆变器,并且
-控制单元以相移操控方法的形式控制逆变器。
2.根据权利要求1的车辆,其特征在于,
-所述定子系统以星形连接实施,
-所述星形接点与第二车载子电网能够直接或通过星形接点开关(5)进行连接,
-逆变器调节器包括电流调节器和星形接点调节器,
-所述电流调节器调节定子系统的相电流,并且
-所述星形接点调节器调节星形接点电流。
3.根据权利要求1或2所述的车辆,其特征在于,
-所述车辆包括用于测量至少N-1相相电流和星形接点电流中的多个的测量器件,或者所述车辆包括用于测量至少N相相电流中的多个的测量器件,或者所述车辆包括用于测量中间电路电流的测量器件,其中,所测量的中间电路电流根据电压零矢量至少能实现间接地确定电机的N相相电流,
-并且所述控制单元包括逆变器调节器。
4.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,
-所述相移操控方法使星形接点电流平滑,其中,所述星形接点电流通过寄生电感和通过电机的主电感进行平滑,
-在电机的每相之间在时间上的偏移相互间能调整。
5.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,
-所述各个相的相移操控通过各自的脉冲模式实现,
-所述脉冲模式移动360°/N的角度。
6.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,
-所述操控方法的相移用于通过使星形接点电流的电流纹波最小化对星形接点电流进行平滑,并且
-在调节星形接点电流时,所述相移在电机的一个回转上平均来说在转子中无转矩地起作用。
7.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,
-在脉冲模式生成时对于提高的调整频率能利用操控方法的相移,以便为了改善效率而降低逆变器的开关频率或在预定的开关频率的情况下使脉宽调制调节的由电机转速所限定的运行区域朝向电机的较高转速的方向扩展,并且
-所述星形接点调节器提供用于操控方法的调整值。
8.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,
-所述测量器件测量电机的N个电流(lu、lv、lw),并且
-所述控制单元将所测量的电流(lu、lv、lw)通过扩展的克拉克-帕克变换转换为磁场定向的电流矢量(ld、lq、l0),所述电流矢量具有形成磁通的分量(ld),具有形成转矩的分量(lq)以及具有零电流分量(l0),其中,所述星形接点电流(IStern)是零电流分量的三倍。
9.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,
-所述逆变器调节器作为调节参量具有形成磁通的分量,
-所述逆变器调节器作为调节参量具有形成转矩的分量,
-所述逆变器调节器作为调节参量具有零电流分量,
-所述逆变器调节器作为理论参量具有用于形成磁通的分量的第一理论电流参量(l* d),
-所述逆变器调节器作为理论参量具有用于形成转矩的分量的第二理论电流参量(l* q),
-所述逆变器调节器作为理论参量具有星形接点理论电流(l* Stern),
-所述逆变器调节器作为调整参量输出第一定子调整电压(U* d),
-所述逆变器调节器作为调整参量输出第二定子调整电压(U* q),并且
-所述逆变器调节器作为调整参量输出第三定子调整电压(U* 0)。
10.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,
-N相电机实施为三相电机,
-所述逆变器包括六个逆变器开关(HS1、HS2、HS3、LS1、LS2、LS3),
-所述六个逆变器开关设置在用于定子系统的所述三个相的三个半桥中,
-第一定子调整电压、第二定子调整电压以及第三定子调整电压能够通过扩展的克拉克-帕克逆变换转换为定子系统的相电压(Ua、Ub、Uc),并且
-所述逆变器在一个开关周期中根据脉宽调制的原理对各相中的每相的相电压进行接通。
11.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,在星形接点开关闭合的情况下,所述电机
-在星形接点电流(IStern)具有从星形接点到第二车载子电网的电流方向的情况下将电功率从第一车载子电网传输到第二车载子电网并且作为降压转换器起作用。
12.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,在直接连接或星形接点开关闭合的情况下,所述电机
-在星形接点电流(IStern)具有从第二车载子电网到星形接点的电流方向的情况下将电功率从第二车载子电网传输到第一车载子电网并且作为升压转换器起作用。
13.根据上述权利要求之一所述的车辆,其特征在于,
-通过预定星形接点理论电流以及调整星形接点调整电压能够对星形接点电流(IStern)进行调整,并且
-所述电机在星形接点开关闭合的情况下作为双向功率调整器起作用。
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