CN105264763A - 用于控制多相变流器的装置 - Google Patents

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F-X.伯纳德
D.佩雷拉
L.多门格
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S.H.特兰
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Abstract

根据本发明的装置控制多相变流器(10、14、17)，所述变流器意图从直流电流源(CC)供电给多相旋转电机(1)。所述装置的类型是产生驱动变流器的切换元件(9、13)的切换功能，以获得所述切换元件中损失的减少以及所述源(CC)的解耦电容器(16)中的有效电流的减小。根据本发明，该减少和该减小通过一组控制策略(21、24)获得，所述控制策略通过使用相对于三相参考电机的多相电机(1)的额外自由度来确定切换功能。多相电机包括第一和第二相绕组，它们形成第一三相系统(2、3、4)和第二三相系统(5、6、7)，这两个系统具有不用的中性点(11、15)，以一预定偏移角(θ)成角度地偏移。第一和第二相绕组分别连接至由切换元件形成的三个第一和三个第二功率臂(8、12)。

Description

用于控制多相变流器的装置
技术领域
本发明涉及用于控制多相变流器的装置，该变流器意图将功率从直流电源供应给双三相旋转电机，即，包括具有两个三相绕组的定子的电机，所述两个三相绕组相对于彼此成角度地偏置。
本发明还涉及一种双三相旋转电机，其包括整合的设置有该装置的变流器，特别地用于机动车辆中的应用。
背景技术
变流器用于从直流电源产生多相电流，该多相电流是多相旋转电机运行所必需的。
变流器通常包括切换元件，所述切换元件形成多个功率臂，在经典双位(two-level)桥构造中，每个功率臂包括两个切换元件。
同一功率臂的一对切换元件的中点连接至旋转电机的定子的相绕组。
切换元件最通常地由脉宽调制(PWM)方法控制，这使得可以将正弦波形的相之间的电压施加给旋转电机。
空间矢量调制(SVM)处理非常广泛地应用，且使得能够与传统正弦PWM方法相比实现15％的改善。
在现有技术中，已知其他类型的控制多相变流器的方法，特别是广义不连续脉宽调制(GDPWM)处理，其例如在论文"AHigh-PerformanceDiscontinuousPWMAlgorithm",A.M.Havaetal.,IEEETrans.onIndustryApplications,vol.34,n°5,September/October1998,p.1059-1071中描述。
该控制方法大致在一电周期上依次阻断其中一个功率臂。
各个PWM方法在效率方面的比较已经产生足够的技术文献。
对机动车辆中的应用的研究包括论文“AComparisonbetweenPulseWidthModulationStrategiesintermsofPowerLossesinaThree-PhasedInverter-ApplicationtoaStarterGenerator”,J.Hobraiche,J.PVilain,M.Chemin,EuropeanPowerElectronicsCongress-PowerElectronicsandMotionControl,Riga,Latvia,September2004。
针对SVM和GDPWM处理，变流器中的损失依据起动器发电机的操作点而被比较。
此外，车辆中车载设备的功率的增加导致电磁兼容性(EMC)的新问题，特别是关于传导干扰。
为了稳定变流器上游侧的供电电压，电流源通常包括解耦电容器，所述解耦电容器使得可以对经历高水平不连续性(因为由切换电源实现的斩波造成)的变流器输入电流进行滤波。
VALEOEQUIPEMENTSELECTRIQUESMOTEUR名下的法国专利申请FR2895598描述了一种具体的用于控制多相变流器的PWM控制方法，其既允许减小切换损失又允许减小解耦电容器中的rms电流，以便减小供电电压上的脉动。
在该申请中的PWM控制方法通常施加多相电负载，而大多数研究以及以上引用的论文限制于三相电机。
已知的是多相旋转电机与三相电机相比在减小马达模式下的扭矩振荡方面以及在发电机模式下的谐波消除容易度方面有优势。
因此需要用于多相电机的、PWM控制在减小切换损失和减小传导干涉方面的研究。
但是，相数的增加导致电机的控制装置复杂性增加，发明人已经关注双三相电机，其与六相电机相比通常允许简化控制装置，且准许三相电机上进行的研究结果的推断，诸如由J.Hobraiche等在上面引用的论文中发表的。
发明内容
鉴于在高度竞争的汽车领域中的应用，本发明的目的因此是优化PWM控制装置。
本发明因此涉及一种用于控制多相变流器的装置，所述变流器意图从直流电流源供电给双三相旋转电机，该装置包括用于产生切换信号的器件，所述切换信号控制切换元件，以获得切换元件中损失的减小以及所述源的解耦电容器中的rms电流的减小，双三相旋转电机包括三个第一相绕组和三个第二相绕组，形成具有单独的中性点的第一三相系统和第二三相系统，所述第一三相系统和所述第二三相系统以一预定偏移角成角度地偏移，第一和第二相绕组连接至三个第一和三个第二功率臂，所述第一和第二功率臂分别由多相变流器的切换元件形成。
根据本发明，所述装置还包括：
-用于存储确定切换信号的一组至少两个控制策略的器件；
-用于获取电机的旋转速度和功率因子的器件；和
-用于依据旋转速度和功率因子的函数而从所述控制策略组选择电流策略的器件。
来自所述控制策略组的第一策略有利地包括将第一中心矢量脉宽调制应用于第一三相系统，具有相同周期的第二中心矢量脉宽调制应用于第二三相系统，该第一中心矢量脉宽调制与第二中心矢量脉宽调制以共同的延迟偏移。
替换地，来自所述控制策略组的第二策略优选地包括将第一矢量脉宽调制应用于第一三相系统，具有相同周期的第二矢量脉宽调制应用于第二三相系统，该第一矢量脉宽调制与第二矢量脉宽调制以共同的延迟偏移，以及包括阻断三个第一臂中的一个和/或三个第二臂中的一个。
作为另一替代例，来自所述控制策略组的第三策略优选地包括将第一广义不连续脉宽调制应用于第一三相系统，具有相同周期的第二广义不连续脉宽调制应用于第二三相系统，该第一广义不连续脉宽调制与第二广义不连续脉宽调制以共同的延迟偏移。
在又一替代例中，来自所述控制策略组的第四策略有利地包括：
-将第一中心矢量脉宽调制应用于第一三相系统，和将第二中心矢量脉宽调制应用于第二三相系统，所述第一中心矢量脉宽调制和第二中心矢量脉宽调制具有相同的周期和相同的时间起点；
-阻断三个第一臂中的一个和三个第二臂中的一个；
-相对于没有被阻断的所述三个第一臂和所述三个第二臂中的三个的切换前沿(front)的所述时间起点来偏移第一、第二和第三延迟。
根据本发明的装置利用的事实是，使用了电流策略，所述电流策略依据多相电机的操作点而从该控制策略组选择。
如果所述电机的旋转速度小于表示所述电机起动结束的第一预定速度，或如果该旋转速度在该第一预定速度和表示所述电机以恒定扭矩运行结束且大于该第一预定速度的的第二预定速度之间，且如果所述电机的功率因子小于或等于预定系数，则应用第二策略。
替换地，如果所述电机的旋转速度在表示所述电机起动结束的第一预定速度和表示所述电机以恒定扭矩运行结束且大于该第一预定速度的第二预定速度之间，且如果所述电机的功率因子大于预定系数或如果该旋转速度在该第二预定速度和表示所述电机以恒定功率运行且大于该第二预定速度的第三预定速度之间，则应用第三策略。
本发明还涉及一种双三相旋转电机，其包括整合的设置有以上简要描述的控制装置的变流器。
这几个主要的说明将使由根据本发明的用于控制多相变流器的装置以及通过相应的电机获得的、相比于现有技术的优势对本领域技术人员明显。
本发明的详细说明在以下描述中参考附图给出。应注意到，这些图的目的仅是示出说明的文字，它们并不以任何方式构成对本发明范围的限制。
附图说明
图1示意性地示出双三相旋转电机和变流器，该变流器设置有其根据本发明的控制装置；
图2a、2b、2c和2d显示出应用于双三相电机的脉宽调制的时间图，分别由第一、第二、第三和第四控制策略得到；
图3示出图1所示的双三相电机的操作点，用于选择图2a、2b、2c和2d所示的控制策略；
图4示出依据图3所示的操作点的图2a、2b、2c和2d所示的控制策略的选择树。
具体实施方式
如图1的示意图清晰显示的，在本发明的优选实施例中，双三相旋转电机的定子1包括由三个第一相绕组2、3、4构成的星形连接的第一三相系统以及由三个第二相绕组5、6、7构成的第二星形连接的三相系统，这两个系统相对于彼此以30°的偏移角θ偏移。
第一相绕组2、3、4的每个具有连接至第一功率臂8的第一中点的每个的第一端部和共用的另一第一端部11，该第一功率臂8通过第一功率模块10的切换元件9形成。
以相同的方式，第二相绕组5、6、7的每个具有连接至第二功率臂12的第二中点的每个的第二端部和另一共用第二端部15，该第二功率臂12通过第二功率模块14的其他切换元件13形成。
共用的第一和第二端部11、15是第一和第二三相系统的中性点，且彼此绝缘。
第一和第二功率模块10、14的第一和第二功率臂8、12并联连接至包括解耦电容器16的直流电流源CC。
切换元件9、13被控制装置17控制，以便根据在本发明中实施的控制策略来切换在第一相绕组2、3、4中流通的第一相电流R、S、T，和在第二相绕组5、6、7中流通的第二向电流U、V、W，使得可以具有六相变流器的功能，第一和第二功率模块10、14作为第一和第二三相变流器INV1、INV2运行。
在这些第一和第二变流器的每个中，可以阻断或不阻断功率臂8、12。还可以使PWM相对于彼此偏移。
发明人已经确定，这些控制策略使得可以既减小切换元件9、13(最通常地，由MOS晶体管构成)中的切换损失，同时还减小在变流器10、14的输入端处解耦电容器16必须吸收(absorb)的RMS电流。
以下将参考图2a、2b、2c和2d详细描述由发明人基于三相电机上进行的工作通过计算机模拟而研究的四个控制策略。
策略I
该第一策略包括施加两个矢量PWM，而不阻断功率臂8、12。
图2a中示出了在该第一策略中由第一三相变流器INV1产生的第一相电流R、S、T和由第二三相变流器INV2产生的第二相电流U、V、W的时间图。
中心矢量PWM(SVM)施加至两个三相系统的每个。
PWM具有相同的周期。它们通过一恒定或可变的共同的延迟Td分开。
策略II
该第二策略包括施加两个矢量PWM，阻断功率臂8、12中的一个或两个。
图2b中示出了在该第二策略中由第一三相变流器INV1产生的第一相电流R、S、T和由第二三相变流器INV2产生的第二相电流U、V、W的时间图。
具有中性点11、15的电势偏移的矢量PWM使得可以阻断变流器10、14的六个功率臂8、12中的一个或两个。
PWM具有相同的周期。它们通过一恒定或可变的共同的延迟Td分开。
模拟已经显示出，当该共同的延迟Td是PWM周期的25％时，解耦电容器16中的rms电流明显减小。
策略III
该第三策略包括施加两个广义不连续PWM(GDPWM)。
图2c中示出了在该第三策略中由第一三相变流器INV1产生的第一相电流R、S、T和由第二三相变流器INV2产生的第二相电流U、V、W的时间图。
两个GDPWM施加至所述两个三相系统的每个，即：
-阻断具有最大电流且能够被阻断的功率臂8、12的所述两个三相变流器INV1、INV2的每个；
-其余PWM中的两个偏移。
PWM具有相同的周期。它们通过一恒定或可变的共同的延迟Td分开。
模拟已经显示出，当该共同的延迟Td是PWM周期的30％时，解耦电容器16中的电流明显减小。
策略IV
该策略包括施加两个中心矢量PWM(SVM)，以偏移PWM和被阻断的功率臂8、12。
图2d中示出了在该第四策略中由第一三相变流器INV1产生的第一相电流R、S、T和由第二三相变流器INV2产生的第二相电流U、V、W的时间图。
PWM具有相同的周期。
六个功率臂8、12中的两个被阻断。四个PWM中的三个则以第一、第二和第三延迟Td1、Td2、Td3偏移，所述延迟的值被包括在PWM周期的[-50％，+50％]范围内。
这些偏移比中心矢量PWM(延迟为零)和GDPWM(延迟等于50°)的更普遍(general)。
根据本发明的目的，上述控制策略引起切换元件9中的损失的减小和解耦电容器16中的rms电流的减小。
发明人已经注意到，在该解耦电容器16中的损失依赖于相R、S、T；U、V、W和相电压之间的相差以及调制系数m(定义为变流器的峰值相电压与供电电压一半的比)，通过从依据多相电机的操作点的所述控制策略组中动态地选择电流策略而存在额外的优化方式。
图3示出了考虑各操作点(马达扭矩Г，旋转速度Ω)以用于选择控制策略的拓扑。
区域A
该第一区域A对应于起动双三相电机1，双三相电机1以恒定马达扭矩Г0从停止(零旋转速度Ω)操作至第一旋转速度Ω1。
在双三相电机1作为机动车辆中起动器发电机的应用中，该第一区域A典型地对应于停止/起动(STOP/START)功能的马达(MOTOR)模式。
电机1的旋转速度Ω和相电压是低的。
区域B
该第二区域B对应于电机1的一操作模式，在该操作模式中，旋转速度Ω在第一旋转速度Ω1和第二旋转速度Ω2之间，该模式标志着以恒定扭矩的操作的结束18。
在双三相电机1在混合动力车辆中辅助加速的应用中，该第二区域B典型地对应于推进(BOOST)功能。
电机1的旋转速度Ω和相电压保持是低的，但是，对于接近第一旋转速度Ω1的旋转速度Ω，电机1的功率因子可以是低的，或对于接近第二旋转速度Ω2的旋转速度Ω，该功率因子可以接近一。
区域C
该第三区域C对应于电机1的一操作模式，在该操作模式中，旋转速度Ω在第二旋转速度Ω2和第三旋转速度Ω3之间，该模式表示以恒定功率的操作19。
在双三相电机1在混合动力车辆中辅助加速的应用中，该第三区域C典型地对应于推进(BOOST)功能。
电机1的旋转速度Ω和相电压是高的，电机1的功率因子接近一。
区域D
该第四区域D对应于电机1的一操作模式，在该操作模式中，旋转速度Ω大于第三旋转速度Ω3。
在双三相电机1在混合动力车辆中辅助加速的应用中，该第四区域D典型地对应于推进(BOOST)功能。
电机1的旋转速度Ω非常高，且相电压是高的，且电机1的功率因子接近一。
电机1的旋转速度Ω在该第四区域D中非常高，PWM类型的电流策略被全波控制替代。
该第四区域D因此没有构成用于从根据本发明的控制策略中选择电流策略的准则。
图4示出用于依据区域A、B、C或D来选择控制策略的树。
在起动该电机1时，自停止20开始，第二策略21被第一测试22选择直至电机1的操作点在第一区域A中。
在该第一区域A中，该第二策略21的优势是降低解耦电容器16中的rms电流以及切换元件9、13中的损失。切换损失被优化。
当第二测试23显示出，电机1的操作点处于第二区域B时，选择第二策略21或第三策略24。
第二策略21和第三策略24之间的选择25取决于相对于预定系数的电机1的功率因子其优选地等于0.7。
在该第二区域B中，如果功率因子小于或等于0.7，则选择第二策略21，如果功率因子大于0.7，则选择第三策略24。
解耦电容器16中的rms电流的减小在该第二区域B中未被优化，但对于所有操作点都是大的。切换损失减小。
当第三测试26显示出，电机1的操作点处于第三区域C时，选择第三策略24。
在该第三区域C中，解耦电容器16中的rms电流的减小接近优化值。切换损失也被优化。
当第四测试27显示出，电机1的操作点处于第四区域D时，没有根据本发明的策略被选择。如已经指出的，因此使用全波控制28。
不用说，本发明不仅限于上述优选实施例。
无限数量的控制策略是可行的。发明人已经在计算机模拟期间开发出矢量PWM的两个进一步的例子，其参数取决于电机的操作点。
例子1
利用上述第四策略(图2d)来应用两个矢量PWM：
-阻断其中电流绝对值最大且能够被阻断的功率臂8、12的所述两个三相变流器INV1、INV2的每个；
-其余四个PWM中的三个根据第一、第二和第三延迟Td1、Td2、Td3的值的第一组(组1)和第二组(组2)而偏移，所述值在以下在表1中表示为PWM周期的百分数；
-如果相差在0至π/6(模数π/3)之间，则选择第一组(组1)，否则选择第二组(组2)。
延迟 Td1 Td2 Td3
组1 40％ 20％ 40％
组2 40％ 30％ 30％
表I
在该第一例子中，对于功率因子接近一()和/或调制系数m大于0.8所在的电机1操作点，解耦电容器16中的rms电流的减小是优化的。对于其他操作点，减小是较小的。
在该第一例子中，就切换损失而言，其对于所有操作点被优化。
在双三相电机1在混合动力车辆中的应用中，该第一例子有利地用在第三区域C中，其典型地对应于推进功能。
例子2
取决于相差和调制系数m，两个广义不连续PWM(GDPWM)以类似的方式应用于上述第三策略(图2c)，其在第一和第二变流器INV1、INV2之间具有共同的的延迟Td。该共同的延迟Td(作为PWM周期的百分数)的脉谱图在以下表II中给出：
表II
在该第二例子中，对于功率因子接近一()和/或调制系数m接近1(m＝1)所在的电机1操作点，解耦电容器16中的rms电流的减小是高的。
根据本发明的控制装置17有利地包括飞思卡尔(Freescale)MP5643L微处理器29，其包括六个可独立编程PWM寄存器，所述寄存器因此有助于实施上述控制策略。
由发明人执行的测试显示出，根据本发明的控制装置，通过所使用的控制策略，与在单个三相电机上的基本PWM相比，引起解耦电容器16中的rms电流减小高达63％。
本发明的优选实施例涉及双三相电机，其具有等于30°的偏移角θ。可对具有不同偏移角θ的双三相旋转电机执行相同的分析。
根据本发明的控制装置采用微编程的逻辑29，或替代地硬线逻辑，或被编程的系统，或甚至模拟系统。
本发明因此涵盖所有可行的变体实施例，只要那些变体保持在后附权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种用于控制多相变流器(10、14、17)的装置(17)，所述变流器意图从直流电流源(CC)供电给双三相旋转电机(1)，所述装置包括用于产生切换信号的器件(29)，所述切换信号控制切换元件(9、13)，以获得所述切换元件(9、13)中损失的减小以及所述源(CC)的解耦电容器(16)中的rms电流的减小，所述双三相旋转电机(1)包括三个第一相绕组(2、3、4)和三个第二相绕组(5、6、7)，形成具有单独的中性点(11、15)的第一三相系统(2、3、4)和第二三相系统(5、6、7)，所述第一三相系统和所述第二三相系统以一预定偏移角(θ)成角度地偏移，且所述第一和第二相绕组(2、3、4；5、6、7)连接至三个第一和三个第二功率臂(8、12)，所述第一和第二功率臂分别由所述多相变流器(10、14、17)的切换元件(9、13)形成，其特征在于，所述装置包括：
-用于存储确定所述切换信号的一组至少两个控制策略(21、24)的器件(29)；
-用于获取所述电机(1)的旋转速度(Ω)和功率因子的器件；和
-用于依据所述旋转速度(Ω)和所述功率因子而从所述控制策略(21、24)组选择电流策略的器件。
2.如权利要求1所述的用于控制多相变流器(10、14、17)的装置，其特征在于，所述控制策略组包括一策略，该策略包括将第一中心矢量脉宽调制应用于所述第一三相系统(2、3、4)，具有相同周期的第二中心矢量脉宽调制应用于所述第二三相系统(5、6、7)，该第一中心矢量脉宽调制与第二中心矢量脉宽调制以共同的延迟(Td)偏移。
3.如权利要求1所述的用于控制多相变流器(10、14、17)的装置，其特征在于，所述控制组策略包括一策略(21)，该策略包括将第一矢量脉宽调制应用于所述第一三相系统(2、3、4)，具有相同周期的第二矢量脉宽调制应用于所述第二三相系统(5、6、7)，该第一矢量脉宽调制与第二矢量脉宽调制以共同的延迟(Td)偏移，以及包括阻断所述三个第一臂(8)中的一个和/或所述三个第二臂(12)中的一个，所述共同的延迟(Td)优选地大致等于所述周期的25％
4.如权利要求1所述的用于控制多相变流器(10、14、17)的装置，其特征在于，所述控制策略组包括一策略(24)，该策略包括将第一广义不连续脉宽调制应用于所述第一三相系统(2、3、4)，具有相同周期的第二广义不连续脉宽调制应用于所述第二三相系统(5、6、7)，该第一广义不连续脉宽调制与第二广义不连续脉宽调制以共同的延迟(Td)偏移，所述共同的延迟(Td)优选地大致等于所述周期的30％
5.如权利要求1所述的用于控制多相变流器(10、14、17)的装置，其特征在于，所述控制策略组包括一策略，该策略包括：
-将第一中心矢量脉宽调制应用于所述第一三相系统(2、3、4)，和将第二中心矢量脉宽调制应用于所述第二三相系统(5、6、7)，所述第一中心矢量脉宽调制和第二中心矢量脉宽调制具有相同的周期和相同的时间起点；
-阻断所述三个第一臂(8)中的一个和所述三个第二臂(12)中的一个；
-相对于没有被阻断的所述三个第一臂(8)和所述三个第二臂(12)中的三个的切换前沿的所述时间起点来偏移第一、第二和第三延迟(Td1、Td2、Td3)。
6.如权利要求3所述的用于控制多相变流器(10、14、17)的装置，其特征在于，如果所述电机(1)的旋转速度(Ω)小于表示所述电机(1)起动结束(A)的第一预定速度(Ω1)，或如果所述旋转速度(Ω)在所述第一预定速度(Ω1)和表示所述电机(1)以恒定扭矩运行结束(B)且大于所述第一预定速度(Ω1)的第二预定速度(Ω2)之间，且如果所述电机(1)的功率因子小于或等于预定系数，则应用所述策略(21)，所述预定系数优选地大体等于0.7。
7.如权利要求4所述的用于控制多相变流器(10、14、17)的装置，其特征在于，如果所述电机(1)的旋转速度(Ω)在表示所述电机(1)起动结束(A)的第一预定速度(Ω1)和表示所述电机(1)以恒定扭矩运行结束(B)且大于所述第一预定速度(Ω1)的第二预定速度(Ω2)之间，且如果所述电机(1)的功率因子大于预定系数，或如果所述旋转速度(Ω)在所述第二预定速度(Ω2)和表示所述电机以恒定功率运行(C)且大于所述第二预定速度(Ω2)的第三预定速度(Ω3)之间，则应用所述策略(24)，所述预定系数优选地大体等于0.7。
8.一种双三相旋转电机(1)，其特征在于，其包括整合的设置有如权利要求1至7中的任一项所述的控制装置(17)的变流器(10、14、17)。
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