CN105284042A - 用于将功率供应到电动机的方法、相关联的计算机程序、反相器控制装置和旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法，包括相至电压源的切换连接，以便引起由相电流(i_u、i_v、i_w)限定的电流矢量的转动。所述方法还包括：在电流矢量的至少一圈期间，对于一个或多个相的每个：在该圈的一部分上，相与电压源断开连接，以便使该相布置为开路，并取消相应的相电流(i_u、i_v、i_w)，和在该圈的另一部分上，将相切换连接至电压源。

Description

用于将功率供应到电动机的方法、相关联的计算机程序、反相器控制装置和旋转电机

技术领域

本发明涉及一种用于将功率供应到电动机的方法、相关联的计算机程序、反相器控制装置和旋转电机。

背景技术

公开的法国专利申请FR2974466描述了一种将电力供应给电动机的方法，该电动机包括具有关于电动机的旋转轴的各个方向的相，且意图携带限定从旋转轴开始的电流矢量的各相电流，该方法包括所述相至电压源的切换连接，以便引起电流矢量转动。

为了执行该方法，控制装置大体适于控制反相器(inverter)，从而后者执行将电压交替地施加到每个相的切换操作，例如，由直流电压源供应的电压及其反电压。

由于电动机的各相独立，相电流的总和没有被迫使为零，从而同极电流可出现。现在，在经典多相电机中，各相之间的磁耦合对该同极电流有非常低的阻抗，从而出现高水平的纹波(ripple)。该纹波不参与驱动马达转子的旋转磁场的产生，且因此是不期望有的。

因此可能需要减少这样的纹波。此外，可能还需要减少由反相器中的切换操作引起的损耗。

发明内容

为了至少部分地解决上述问题，提出一种将电力供应给电动机的方法，该电动机包括具有关于电动机的旋转轴的各个方向且意图携带各相电流的相，所述各相电流限定从旋转轴开始的电流矢量，该方法包括：

-各相到电压源的切换连接，以便引起电流矢量转动，

该方法特征在于，各相的切换连接在电流矢量的至少一圈期间，对于一个或多个相的每个，包括：

-在该圈的一部分上，将该相从电压源断开连接，以便使该相开路，和

-在该圈的另一部分上，将该相切换连接至电压源。

可选地，在该圈的一部分上的断开连接的步骤以及该圈的另一部分的连接的步骤应用于电动机的所有相。

并且可选地，相的方向的垂线通过圈的使相从电压源断开连接的那部分。

并且可选地，该圈的使相与电压源断开连接的那部分包括两个单独的子部分，每个子部分通过可断开连接的相的方向的垂线。

并且可选地，每次仅一个相被断开连接以使其开路。

并且可选地，该方法还包括，对于在一圈的一部分上断开连接至少一个相的每个以及对于在该圈的另一部分上切换连接该相或每个相：

-接收相电流的测量结果，

-确定与所测量的相电流相对应的、属于与相相关联的至少一个预定角扇区的电流矢量，

-断开连接与电流矢量所属的一个或多个预定角扇区相关联的每个相，和

-切换连接其他一个或多个相。

并且可选地，该方法还包括，对于在一圈的一部分上断开连接至少一个相的每个以及对于在该圈的另一部分上切换连接该相或每个相：

-接收设定点电流矢量，

-确定属于与相相关联的至少一个预定角扇区的设定点电流矢量，

-断开连接与设定点电流矢量所属的一个或多个预定角扇区相关联的每个相，和

-切换连接其他一个或多个相。

并且可选地，该方法还包括，对于在一圈的一部分上断开连接至少一个相的每个以及对于在该圈的另一部分上切换连接该相或每个相：

-测量相电流，

-检测相电流的取消或没有取消，

-如果相电流已经被取消，则断开连接相电流已经被取消的相，如果没有，则断开连接相电流被取消的最后一相，和

-切换连接其他一个或多个相至电压源。

还提出一种计算机程序，包含多行代码，当其被计算机执行时，所述多行代码驱使计算机控制反相器，所述反相器将电动机连接到电压源，以便执行根据本发明的方法。

还提出一种反相器的控制装置，该反相器将电动机连接到电压源，电动机包括具有绕电动机旋转轴的各个方向且意图携带各相电流的相，所述各相电流限定从旋转轴开始的电流矢量，控制装置意图控制反相器，从而后者实现相至电压源的切换连接，以便引起电流矢量转动，其特征在于，控制装置还如下配置，在电流矢量至少一圈期间，对于一个或多个相的每个：

-在该圈的一部分上，控制反相器，从而反相器实现相与电压源的断开连接，以便使该相开路，和

-在该圈的另一部分上，控制反相器从而反相器实现将相切换连接至电压源。

还提出一种旋转电机，包括：

-电动机，包括具有绕电动机的旋转轴的各个方向且意图携带各相电流的相，所述各相电流限定从旋转轴开始的电流矢量，

-电压源，

-反相器，适于将电压源连接到电动机的相，

-根据本发明的控制装置。

附图说明

接下来将参考附图描述本发明的实施例，附图中：

图1示出根据本发明第一实施例的旋转电机，

图2是在图1的旋转电机限定的电流矢量的一圈上的角扇区的图，

图3是用在图1的旋转电机中的供应电力的方法的流程图，

图4至7是设定点相电流和相电流图，以示出不期望的纹波的减小，和

图8至10是用在本发明的其他实施例中的供应电力的方法的流程图。

具体实施方式

第一实施例

图1：旋转电机100

接下来参考图1描述根据本发明的旋转电机100。在所述例子中，旋转电机100用于由电压源驱动转子旋转(马达功能)，但是本发明涵盖发电机，在该情况下，旋转电机意图通过转子的旋转供应电力给电压源。

电压源102

旋转电机100首先包括电压源102，其意图供应相对于地线M的直流电压E。

电动机104

旋转电机100还包括电动机104。电动机104包括定子和转子，转子意图相对于定子绕旋转轴A转动。电动机104还包括三个相u、v、w，其具有沿横向于旋转轴A的平面均匀分布、且因此在该横向平面中彼此间隔120°的方向。每个相u、v、w具有两个极限。相u、v、w是独立的，即，没有通过它们的其中一个端点连接在一起。相u、v、w意图携带各相电流i_u、i_v、i_w。这些相电流i_u、i_v、i_w在横向于旋转轴A并垂直于旋转轴A的平面中限定电流矢量i。为了更准确，每个相电流i_u、i_v、i_w限定相矢量，其一方面在方向方面，具有其流动所沿的相u、v、w的方向，另一方面在模方面，具有该相电流i_u、i_v、i_w的值。电流矢量i则限定为相矢量的矢量和。该电流矢量i遵循转子的旋转，且因此使得可以表示转子的位置。

反相器106

旋转驱动系统100还包括反相器106，其意图将电动机104的每个相u、v、w以切换的方式连接到直流电压源102。反相器106意图以切换的方式将相u、v、w的每个端子与电压E连接或从其断开，或以切换的方式将相u、v、w的每个端子与地线M连接或从其断开，以便选择性地向每个相u、v、w施加电压+E、其反向电压-E、零电压，或将两个端子断开连接，以使相u、v、w成为开路，并因此切断相u、v、w中的电流。反相器具体地包括开关，其每个将电压源102的端子连接到相u、v、w的端子。因此对每个相u、v、w产生H桥。在所述的存在三个相u、v、w的实施例中，反相器106因此包括三个H桥和十二个开关。此外，反相器106包括与每个开关并联的续流二极管。

传感器108

旋转驱动系统100还包括传感器108，其意图测量相电流i_u、i_v、i_w。

控制装置110

旋转驱动系统100还包括控制装置110，其意图控制反相器106，从而后者进行相u、v、w到电压源102的切换连接，以便导致电流矢量i绕旋转轴A转动，导致转子相对于定子旋转。

在所述实施例中，控制装置110是计算机(有时称为“处理器”)，包括其中存储有计算机程序的存储器112、和意图执行计算机程序的处理单元114。计算机程序包括指令，当被控制装置110(即，被处理单元114)执行时，其导致控制装置110控制反相器106，以便执行在此之后关于图3所述的将电力供应给电动机的方法的步骤。此外，存储在存储器112中的是至少一个预定角扇区和预定相之间的至少一个关联。例如，每个角扇区在存储器112中通过其覆盖的角的范围来表示。

图2：相和角扇区之间的关联

接下来参考图2描述存储在存储器112中的关联。

电流矢量i的一圈(turn)分为六个角扇区S1_u、S2_u、S1_v、S2_v、S1_w和S2，其具有相同角度π/3的_w，且以所述相的方向的通过旋转轴A的或在相平面中的垂线P_u、P_v、P_w为中心。每个相u、v、w与两个相对的角扇区S1_u、S2_u或S1_v、S2_v或S1_w和S2_w相关联，该相u、v、w的方向的垂线P_u、P_v、P_w通过所述角扇区。

由此，相u与角扇区S1_u和S2_u相关联，相v与角扇区S1_v和S2_v相关联，相w与角扇区S1_w和S2_w相关联。

应意识到，每个角扇区S1_u、S2_u、S1_v、S2_v、S1_w和S2_w延伸得与通过该角扇区的垂线和相应两个相邻垂线之间的两个角的两个等分线一样远。例如，角扇区S1_u在垂线P_u和垂线P_v之间的角的等分线以及垂线P_u和垂线P_w之间的角的等分线之间延伸。

图3：电力供应方法300

接下来将参考图3描述将电力供应给电动机104的方法300。

在步骤302期间，控制装置110和反相器106实现相u、v、w到电压源102的切换连接，以便导致电流矢量i转动通过很多圈，例如多于10000圈。

该步骤302包括具有以下步骤的循环。

在步骤304期间，控制装置110接收传感器108供应的所测量的相电流i_u、i_v、i_w。

在步骤306期间，控制装置110由所测量的相电流i_u、i_v、i_w确定电流矢量i。在所述实施例中，控制装置110在轴X-Y的标准正交系中确定电流矢量的坐标i_X、i_Y。

在步骤308期间，控制装置110接收设定点电流矢量i*。在所述实施例中，设定点电流矢量i*由其在轴X-Y系的坐标i_X*、i_Y*表示。此外，设定点电流矢量i*是“正常的”，即没有考虑将在以下描述的相的断开连接。

在步骤310中，控制装置110确定电流矢量i和设定点电流矢量i*之间的差异Δi。在所述实施例中，控制装置110确定轴X-Y系中的差异Δi_X、Δi_Y。

之后的步骤312和314与步骤304至310并行执行。

在步骤312期间，控制装置110确定电流矢量i是否属于存储在存储器102中的角扇区S1_u、S2_u、S1_v、S2_v、S1_w、S2_w中的一个。为此，控制装置110例如确定电流矢量i的角θ，并将其与由所存储的角扇区覆盖的角度范围比较。

在步骤314期间，控制装置110确定与电流矢量i所属的角扇区相关联的每个相要被断开连接。另外的一个或多个相(即没有被确定为要被断开连接的那个或那些相)因此确定为“要以切换方式连接”。因此，对于每个相，当电流矢量i属于与该相相关联的角扇区时，该相要被断开连接，如果电流矢量i离开与该相相关联的角扇区，则后者被“重新连接”，即其要以切换方式被连接。在所述实施例中，因为角扇区没有重叠，所以每次仅一个相要被断开连接。每次一相要被断开连接时，之前要被断开连接的相被“重新连接”，即，其以切换方式被连接。

在步骤316期间，控制装置110例如根据差异Δi，对没有要被断开连接的相或每个相(即，已经被确定为要以切换方式连接的一个或多个相)确定设定点相电压U_u*、U_v*或U_w*。在所述实施例中，控制装置110因此确定两个设定点相电压。例如，如果电流矢量i属于与相u相关联的角扇区S1_u，则控制装置110确定相u要被断开连接，且确定设定点相电压U_v*和U_w*。

在步骤318期间，控制装置110确定命令C并将其发送至反相器106。命令C意图命令反相器106一方面将每个要被断开连接的相断开连接，另一方面将每个其他相切换连接至电压源102，以便施加(随时间平均)对该相确定的相电压设定点。在所述实施例中，因为角扇区没有重叠，所以每次仅一个相被断开连接。例如，如果相u要被断开连接，则命令C意图命令反相器106将其断开连接。

在步骤320期间，反相器106应用命令C，且执行所命令的断开连接。断开连接具体地反映于使相端子处的开关开路。如果要被断开连接的相已经被断开连接，则相电流流过续流二极管，直到其被抵消，并使该相开路(相电流保持为零)。

如果要被断开连接的相已经断开连接，则使断开连接有效意味着维持该断开连接且因此维持该相开路。

相应地，每个相u、v、w与电压源102断开连接，以在所述圈中与存储器112中与该相相关联的角扇区所对应的一部分上使其开路。

在同一步骤324期间，反相器106应用命令C，并进行需要的一个或多个切换连接，例如，交替地施加不同电压至每个相，例如电压+E、电压-E或零电压(相的两个接地端子)。切换以高频率实现，通常在1至20kHz之间。

相应地，每个相u、v、w在圈的另一部分(即不与在存储器112中的该相相关联的角扇区相对应的那部分)上以切换的方式连接至电压源102。

方法然后回到步骤304。

图4至7：操作的解释

以简化的方式，通过以下公式将相u、v、w的端子处的电压U_u、U_v、U_w和相电流i_u、i_v、i_w相关：

$\left[\begin{array}{c}{U}_u\\ U_v\\ U_w\end{array}\right]=\frac{d}{dt}\left(\left[\begin{array}{ccc}L+2M& -M& -M\\ -M& L+2M& -M\\ -M& -M& L+2M\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]\right)$

其中，M是两个相之间的磁耦合，L是相的漏电感。在传统三相电机中，L比M小得多，例如小量级为十的因子。

电压U_u、U_v、U_w和同极电流(三相电流i_u、i_v、i_w的总和)之间的关系也可以如下方式写出：

$(i_u+i_v+i_w)=\frac{1}{3L}\×\∫(U_u+U_v+U_w)dt$

如果一相(例如相w)被断开连接并开路，则其相电流变为零，所以上述公式变为：

$(i_u+i_v+0)=\frac{1}{3L}\×\∫(U_u+U_v+U_w)dt$

此外，在断开连接的相的端子处的电压不再被反相器106强加，而是通过以下关系给出：

$U_w=-\frac{d}{dt}\left(M\right(i_u+i_v\left)\right)$

组合前述两个公式产生非断开连接的相电流和在三相的端子处的电压之间的关系：

$(i_u+i_v)=\frac{1}{3L+M}\×\∫(U_u+U_v)dt$

因为i_u+i_v不总是为零，所以出现同极电流。该同极电流经历具有值3L+M的高电感，与之相对的是没有实现相断开连接时的3L。M比L大大约10倍，电感因此相对于没有相断开连接的情况要乘以因子10/3。

相应地，将至少一个相断开连接首先使得可以减小切换损耗，因为避免了对应于每个断开连接相的切换操作。此外，由于高电感(3L+M)，因此减小了同极电流上的不期望有的纹波。

此外，明智地选择电流矢量i的所述圈中相被断开连接的时刻，限制了断开连接对电动机104提供的扭矩的影响。更准确地，已经注意到，如果电流矢量i在该相通过旋转轴A的垂线P_u、P_v、P_w上且几乎没有绕该垂线，则相u、v、w对扭矩没有贡献。

图4示出对于恒定扭矩的设定点电流矢量i*，其具有设定点相电流i_u*、i_v*、i_w*的形式。设定点相电流i_u*、i_v*、i_w*则是正弦的，且它们的相对相位是2π/3。

图5示出相u、v、w中的相电流i_u、i_v、i_w。应意识到，这些相电流特征为零电流周期，对应于使其开路的相的断开连接的范围。

图6示出没有实现断开连接时的相电流上不期望有的纹波(这是通常情况)。

图7示出根据本发明的方法产生的相电流上不期望有的纹波。应意识到，纹波的幅度确实减小了。

第二实施例

在第二实施例中，使用设定点电流矢量i*替代(所测量的)电流矢量i以确定要被断开连接的相u、v、w。

在该实施例中，旋转电机100与图1的相同，除了存储在存储器112中的关联是将相与设定点角扇区相关联(即，其意图与设定点电流矢量i*比较，而不是像第一实施例中，与(所测量的)电流矢量i比较)。在所述实施例中，关联与图2中所示的相同。

图8：电力供应方法800

参考图8，接下来描述用在第二实施例中的将电力供应给电动机104的方法800。

电力供应方法800除了以下之外与图3相同。

步骤312被步骤802替代，在此期间，控制装置110确定设定点电流矢量i*是否属于所存储的设定点角扇区之一。

步骤314被步骤804替代，在此期间，控制装置110确定与设定点电流矢量i*所属的设定点角扇区相关联的相是否要被断开连接。

相应地，因为设定点电流矢量i*的角度通常接近电流矢量i的所测量的角度，所以相u、v、w在与图2所示的大体相同的角扇区上断开连接。

第三实施例

在第三实施例中，相电流i_u、i_v、i_w的取消被用于确定要被断开连接的相u、v、w。

在该实施例中，旋转电机100与图1的相同，除了存储器112没有包含角扇区和相之间的关联。

图9：电力供应方法900

参考图9，接下来描述用在第三实施例中的将电力供应给电动机104的方法900。

电力供应方法900除了以下之外与图3相同。

步骤312和314被以下步骤902和904替代。

在步骤902期间，控制装置110检测相电流的取消。

在步骤904期间，控制装置110确定相电流已经被取消的相要被断开连接。如果没有相电流已经被断开连接，则在步骤904期间，控制装置110确定相电流取消的最后一相要被连接，即，保持断开连接。

相应地，通过用于确定何时断开连接相的该方法，相在与图2所示的大体相同角扇区上断开连接。

第四实施例

在第四实施例中，相电流相对于彼此的值被用于确定要被断开连接的相。

在该实施例中，旋转电机100与图1的相同，除了存储器112没有包含角扇区和相之间的关联。

图10：电力供应方法1000

参考图10，接下来描述用在第三实施例中的将电力供应给电动机104的方法1000。

电力供应方法1000除了以下之外与图3相同。

步骤312和314被以下步骤1002和1004替代。

在步骤1002期间，控制装置110比较设定点相电流i_u*、i_v*、i_w*的绝对值。设定点相电流例如通过将设定点电流矢量i*投影到相u、v、w的方向上而获得。

在步骤1004期间，控制装置110确定携带具有最低绝对值的设定点相电流的相要被断开连接。

这两个步骤可通过以下条件总结：如果|i_u*|<|i_v*|且|i_u*|<|i_w*|，则相u要被断开连接；如果|i_v*|<|i_u*|且|i_v*|<|i_w*|，则相v要被断开连接；且如果|i_w*|<|i_u*|且|i_w*|<|i_v*|，则相w要被断开连接。

相应地，通过用于确定何时断开连接相的该方法，相在与图2所示的大体相同角扇区上断开连接。

本发明没有限于上述实施例，而是由所附权利要求限定，其范围涵盖可从本领域技术人员的基本背景知识获得的所有变体和替换构造。

具体地，电动机可具有多于三个相。

此外，反相器可属于组合的供电和充电电气装置，如申请FR2938711和FR2944391所述。

此外，例如对于包括三相或四相的多相系统而言，相要被断开连接的各部分可重叠。

此外，在第一实施例中，相电流可通过并非传感器的器件(例如通过用于评估这些电流的装置，例如基于转子的位置)实现。

此外，替代计算机程序，控制装置可包括用于执行所述方法的步骤的专用电子系统。

另外，每个角扇区优选地具有至少1°的角，从而断开连接具有显著效果。

Claims (11)

1.一种将电力供应给电动机(104)的方法，该电动机包括具有绕电动机(104)的旋转轴(A)的各个方向且意图携带各相电流(i_u、i_v、i_w)的相(u、v、w)，所述各相电流(i_u、i_v、i_w)限定从旋转轴(A)开始的电流矢量(i)，该方法包括：

-切换连接(302)相(u、v、w)至电压源(102)，以便引起电流矢量(i)转动，

该方法特征在于，在电流矢量(i)的至少一圈期间，对于一个或多个相(u、v、w)的每个，相(u、v、w)的切换连接包括：

-在该圈的一部分上，将相(u、v、w)从电压源(102)断开连接，以便使该相(u、v、w)开路，和

-在该圈的另一部分上，将相(u、v、w)切换连接至电压源(102)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在该圈的一部分上的断开连接的步骤以及该圈的另一部分的连接的步骤应用于电动机(104)的所有相(u、v、w)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，相(u、v、w)的方向的垂线(P_u、P_v、P_w)通过该圈的使相(u、v、w)从电压源(102)断开连接的那部分。

4.如权利要求3所述的方法，其中，该圈的使相(u、v、w)从电压源(102)断开连接的那部分包括两个单独的子部分，每个子部分通过可断开连接的相(u、v、w)的方向的垂线(P_u、P_v、P_w)。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，每次仅一个相被断开连接以使其开路。

6.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，还包括，对于在一圈的一部分上断开连接至少一个相(u、v、w)以及对于在该圈的另一部分上切换连接该相或每个所述相(u、v、w)：

-接收(304)相电流(i_u、i_v、i_w)的测量结果，

-确定(310)对应于所测量的相电流(i_u、i_v、i_w)、属于与相(u、v、w)相关联的至少一个预定角扇区的电流矢量(i)，

-断开连接(314、318、320)与电流矢量(i)所属的一个或多个预定角扇区相关联的每个相(u、v、w)，和

-切换连接(314、318、320)其他一个或多个相。

7.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，还包括，对于在一圈的一部分上断开连接至少一个相(u、v、w)的每个以及对于在该圈的另一部分上切换连接该相或每个所述相(u、v、w)：

-接收(308)设定点电流矢量(i*)，

-确定(802)属于与相(u、v、w)相关联的至少一个预定角扇区的设定点电流矢量(i*)，

-断开连接(804、318、320)与设定点电流矢量(i*)所属的一个或多个预定角扇区相关联的每个相(u、v、w)，和

-切换连接(804、318、320)其他一个或多个相。

8.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，还包括，对于在一圈的一部分上断开连接至少一个相(u、v、w)的每个以及对于在该圈的另一部分上切换连接该相或每个所述相(u、v、w)：

-测量相电流(i_u、i_v、i_w)，

-检测(902)相电流的取消或没有取消，

-如果相电流已经被取消，则断开连接(904、318、320)相电流已经被取消的相，如果没有，则断开连接(904、318、320)相电流被取消的最后一相，和

-将其他一个或多个相切换连接(320)至电压源(102)。

9.一种计算机程序，包含多行代码，当所述多行代码被计算机执行时，所述多行代码驱使计算机控制反相器，所述反相器将电动机(104)连接到电压源(102)，以便执行根据权利要求1至8的任一项所述的方法。

10.一种反相器(106)的控制装置(110)，该反相器将电动机(104)连接到电压源(102)，该电动机(104)包括具有绕电动机(104)的旋转轴(A)的各个方向且构造为携带各相电流(i_u、i_v、i_w)的相(u、v、w)，所述各相电流(i_u、i_v、i_w)限定从旋转轴(A)开始的电流矢量(i)，控制装置(110)构造为控制反相器(106)，从而反相器(106)实现将相(u、v、w)切换连接至电压源(102)，以便引起电流矢量(i)转动，

该装置特征在于，控制装置(110)还如下构造，在电流矢量(i)的至少一圈期间，对于一个或多个相(u、v、w)的每个：

-在该圈的一部分上，控制反相器(106)，从而反相器(106)进行相(u、v、w)与电压源(102)的断开连接，以便使该相(u、v、w)开路，和

-在该圈的另一部分上，控制反相器(106)，从而反相器(106)进行相(u、v、w)至电压源(102)的切换连接。

11.一种旋转电机(100)，包括：

-电动机(104)，包括具有绕电动机(104)的旋转轴(A)的各个方向且构造为携带各相电流(i_u、i_v、i_w)的相(u、v、w)，所述各相电流(i_u、i_v、i_w)限定从旋转轴(A)开始的电流矢量(i)，

-电压源(102)，

-反相器(106)，适于将电压源(102)连接到电动机(104)的相(u、v、w)，

-根据权利要求10所述的控制装置(110)。