CN107404277A - 用于控制电机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种可操作地电连接到电机并与控制器通信的逆变器。该逆变器电连接到高压DC电源总线。一种用于控制多相逆变器电路的方法包括：通过控制器监测在以过调制模式操作逆变器期间电机的转速。当转速在与以过调制模式操作电机产生的令人不适的可闻噪声相关联的速度范围内时，逆变器被命令以线性调制模式操作。

Description

用于控制电机的方法和装置

技术领域

本公开总体涉及控制交流(AC)电动机/发电机，更具体地涉及用于控制AC电动机/发电机的装置、系统和方法。

背景技术

使用三相脉宽调制(PWM)逆变器来实现AC电动机/发电机(诸如三相永磁同步电动机(电机))的控制。PWM逆变器可以以多种不同操作模式进行控制，包括例如线性调制模式和过调制模式。线性调制操作模式的一个示例为具有线性调制的空间矢量PWM(SVPWM)模式，例如高达六阶操作的90％，并且过调制模式的一个示例为全六阶模式。

仅在逆变器以过调制模式操作时，在其基本同步频率的逆变器的输出电压量值才达到其最大值。由于该电压量值特性，与线性调制模式下的操作相比，过调制模式下的操作可以增加弱磁区域中电机的转矩能力。这是由于电压量值是电机转矩能力的主要限制因素。

发明内容

描述了一种可操作地电连接到电机并与控制器通信的逆变器。该逆变器电连接到高压DC电源总线。一种用于控制多相逆变器电路的方法包括：通过控制器监测在以过调制模式操作逆变器期间电机的转速。当转速在与以过调制模式操作电机产生的令人不适的可闻噪声相关联的速度范围内时，逆变器被命令以线性调制模式操作。

当结合附图时，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点从以下对用于实施本教导(如所附权利要求限定)的一些最佳模式和其他实施例的详细描述中是显而易见的。

附图说明

作为示例，现在将参考附图描述一个或多个实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本公开的多相PWM逆变器电路，其可操作地电连接到包括逆变器控制器的多相AC电动机/发电机；

图2示意性地示出了根据本公开的用于控制参考图1描述的多相PWM逆变器电路的实施例的控制架构。

图3以图形方式示出了根据本公开的调制指数校准表，其可用于确定参考图1描述的多相AC电动机/发电机实施例的转速相对的初始调制指数的值。

具体实施方式

所公开的实施例的组件(如本文附图中一般描述和示出的)，可以以各种不同配置进行布置和设计。因此，本公开实施例的以下详细描述并不旨在限制如权利要求保护的本公开的范围，而是仅表示本公开的可能实施例。此外，虽然在以下描述中阐述了许多具体细节以便提供对本文公开的实施例的透彻理解，但一些实施例可以在没有某些或全部这些细节的情况下实践。而且，为了清楚起见，没有详细描述现有技术中公知的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。

现在参考附图，其中描述仅以说明某些示例性实施例为目的，而不是以限制其为目的。图1示意性地示出了根据本公开的可操作地电连接到多相AC电动机/发电机(电机)140并且与电压源逆变器(VSI)控制器105通信的多相PWM逆变器电路(逆变器)100。电机140和相关联的逆变器100可有利地用于提供车辆推进动力。该车辆可以是电动车辆、燃料电动混合动力车辆或采用存储在车载能量存储系统用于车辆推进的电力的另一车辆构造。作为非限制性示例，该车辆可包括客车、轻型或重型卡车、多功能车、农用车、工业/仓库车或休闲越野车。该车辆可包括乘客舱，其包括一个或多个乘客的座椅装置。

电机140优选为包括以星形配置布置的定子和转子的永磁同步设备，尽管本文描述的概念不限于此。可选择地，电机140可配置为感应电机、开关磁阻电机或另一合适的电机。电机140包括布置在定子上以产生旋转磁场的绕组，该旋转磁场作用在转子上以引起转矩。旋转磁场由逆变器100产生。电机140的转子的旋转位置和速度由旋转位置传感器141监测，其可以是任何合适的设备(例如旋转变压器或霍尔效应传感器)。

逆变器100通过正高压DC电源总线(HV+)102和负高压DC电源总线(HV-)104电连接到高压DC电源。该高压DC电源可包括高压电能存储设备(例如高压电池或电容器、高压电力发电机或另一相关的设备或系统)。逆变器100包括串联电连接于HV+102和HV-104之间的多个开关对112和114、122和124以及132和134。每个开关对对应于电机140的相位，每个第一开关与节点处对应的第二开关串联连接。具体来说，开关对112和114在节点116处串联连接以形成逆变器100的第一臂，开关对122和124在节点126串联连接以形成逆变器100的第二臂，以及开关对132和134在节点136处串联连接以形成逆变器100的第三臂。节点116、126和136电连接到电机140的标称第一、第二和第三相以传送电力到电机140。第一栅极驱动电路106控制第一高侧开关112、122和132的激活和停用，第二栅极驱动电路108控制第二低侧开关114、124和134的激活和停用。第一和第二栅极驱动电路106、108包括能够响应于源自控制器105的控制信号而激活和停用开关112和114、122和124以及132和134以实现HV+102和HV-104中之一与电机140相位之间电力传送的任何合适的电子设备。控制器105产生控制信号，其通过信号线15传输到第一和第二栅极驱动电路106、108，以响应于逆变器开关控制模式而激活和停用开关112和114、122和124以及132和134，该逆变器开关控制模式可以包括线性调制PWM模式(例如高达六阶操作的90％)，以及过调制模式(例如全六阶模式)或另一合适的控制模式。逆变器100包括其他电气组件，包括电容器(例如DC总线电容器142)、电阻器(例如总线电阻器144)和用于实现电噪声抑制、负载平衡等相关功能的其他电路组件。

第一开关112、122和132以及第二开关114、124和134中的每个可以被控制为开启(ON)状态或关闭(OFF)状态。由开关对112和114、122和124以及132和134形成的臂中的每个可以被控制为1或0的控制状态。所述臂之一的控制状态为1对应于第一开关112、122和132中一个的激活，而分别对应的第二开关114、124或134停用。所述臂之一的控制状态为0对应于第二开关114、124和134中一个的激活，而分别对应的第一开关112、122或132停用。

第一开关112、122和132中的每个优选地配置为常闭开关，意味着开关仅在由第一栅极驱动106激活时传导电流。在一个实施例中，第一开关112、122和132为每个均具有并联布置的二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。第一栅极驱动106激活第一开关112、122和132中的每个，以响应于所选的逆变器开关控制模式而产生流过其间的电流。第二开关114、124和134中的每个优选地配置为常闭开关，意味着开关仅在由第二栅极驱动108激活时传导电流。第二开关114、124和134可以是任何种类的常闭半导体开关，包括例如每个均具有并联布置的二极管的IGBT开关。在没有电路故障的操作期间，第一和第二栅极驱动电路106、108产生激活信号以激活和停用第一开关112、122和132以及第二开关114、124和134，以操作电机140产生转矩。可选择地，第一开关112、122和132以及第二开关114、124和134可以是任何合适的半导体开关。逆变器100可操作地电连接到电机140，并且选择性地激活和停用开关112和114、122和124以及132和134的动作在电机140定子的元件中感应出电场，以产生磁力作用在转子的元件上以促使转子朝向或远离定子的运动，从而在机械地耦合到转子的轴构件中引起转矩。因此，源自控制器105的控制信号实现HV+102和HV-104中之一与多相电机140相位之间的电力传送。

控制器105监测来自传感器(例如旋转位置传感器141)的信号输入，并且响应于转矩或速度命令(可从另一控制器传输)，以线性调制模式和过调制模式中的一种选择性地控制逆变器100的操作。控制器105通过逆变器100控制来自电机140的转矩输出，该逆变器100通过HV+102和HV-104电连接到高压DC电源。用于切换逆变器状态以调节电机140的转矩输出的控制方法包括以线性调制模式或过调制模式(例如六阶模式)操作。在线性调制模式中，逆变器100在电机140转子的每个循环期间快速地控制开关对以在非零状态和零状态中的两者之间多次切换，以在定子的每个绕组中产生AC电压和电流。控制器105通过指定PWM占空比来指定在三种状态中的每种花费的时间。控制器105以规则的间隔更新PWM占空比，使得更新的频率明显高于转子旋转的频率。在过调制模式中，逆变器100在电机140转子的每个循环循环通过六个非零状态中的每个一次，以在定子的每个绕组中产生AC电压和电流。转子循环相对于电动机极而限定，并不一定对应于转子的完整旋转。因此，当以线性调制模式操作时，控制信号的量值小于或等于载波信号的量值，并且当以过调制模式操作时，控制信号的量值大于载波信号的量值。

控制器105包括电流调节器和通量控制器，用于控制逆变器100的操作从而以线性调制模式或过调制模式控制电机140的操作。AC电压的振幅由将高压电源电连接到逆变器100的高压DC总线上的DC电压电平的量值决定。转矩由DC电压电平、转子速度以及这些准正弦AC电压信号与转子位置之间的相位差决定，并且可进一步通过以过调制模式操作来控制。控制器105向逆变器100发出命令，表示何时切换到序列中的下一状态。过调制模式是逆变器100的操作模式，其包括在电机140转子的每个循环循环逆变器100通过六个非零状态一次，以在定子的每个绕组中产生AC电压和电流。转子循环相对于电动机极而限定，并不对应于采用多极电机时转子的完整旋转。作为示例，在永磁电机中，基本同步频率可以如下确定：

ωe＝ωrm*PP[1]

其中，

ωe是基本同步频率；

ωrm是机械电动机速度或频率；以及，

PP是电机的极对数量。

类似地，当采用感应电动机电机时，基本同步频率可以如下确定：

ωe＝ωrm*PP+ωsl[2]

其中，

ωe是基本同步频率；

ωrm是机械电动机速度或频率；

PP是电机的极对数量；以及，

ωsl是滑差频率。

基本同步频率ωe在物理上等同于转子通量的旋转频率，并且也被称为同步频率。参考图2对与操作有关的附加细节进行描述。

术语控制器、控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如微处理器以及相关联的存储器和存储设备(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)形式的非瞬时存储器组件)中的任何一个或各种组合。非瞬时存储器组件能够以一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、信号调节和缓冲电路以及可由一个或多个处理器访问以提供所述功能的其他组件的形式存储机器可读指令。输入/输出电路和设备包括模拟/数字转换器和监测传感器输入的相关设备，这些输入以预设采样频率或响应于触发事件进行监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语指包括校准和查找表的任何控制器可执行指令集。每个控制器执行控制例程以提供期望的功能，包括监测来自传感设备和其他联网控制器的输入并执行控制和诊断指令以控制致动器的操作。例程可以以规则的间隔执行，例如正在进行的操作期间每100微秒。可选择地，例程可响应于触发事件的发生而执行。控制器之间的通信以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可使用直接有线点对点链路、网络通信总线链路、无线链路或任何其他合适的通信链路来实现，并且由信号线15表示。通信包括以任何合适的形式交换数据信号，包括例如经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等。数据信号可包括代表来自传感器、致动器命令以及控制器之间通信的输入的离散的、模拟的或数字化的模拟信号。术语“信号”指传达信息的任何物理上可辨别的指示符，并且可以是任何合适的波形(例如电、光、磁、机械或电磁)，诸如能够通过介质传播的DC、AC、正弦波、三角波、方波、振动等。术语“模型”指基于处理器或处理器可执行的代码以及相关联的模拟设备或物理过程的物理存在的校准。如本文所使用的，术语“动态”和“动态地”描述实时执行的步骤或过程。

图2示意性地示出了用于控制参考图1描述的逆变器100和电机140的实施例的控制架构200。控制架构200可实现为硬件、软件和/或固件组件，并且提供一种方法，用于当电机140的转速在与过调制模式下的操作产生的令人不适的可闻噪声相关联的速度范围内时，控制逆变器100以避免过调制模式下的操作。反之，当电机140的转速在与过调制模式下的操作产生的令人不适的可闻噪声相关联的速度范围内时，逆变器被命令以线性调制模式操作。

控制架构200包括电流确定例程210、电流控制例程250和逆变器控制例程260，所有这些组合起来产生逆变器命令，以在线性调制模式或过调制模式中控制逆变器100。在具有直轴和正交轴(也称为d-q轴)的d-q同步参考帧的上下文中计算和描述电流确定例程210和电流控制例程250。逆变器控制例程260将d-q同步参考帧值变换为同步参考帧值(也称为a-b-c值)。同步参考帧分析是本领域技术人员公知的，因此本文不再详细描述。

总的来说，转矩命令202、高压DC电源的电压电平204以及电动机速度206作为输入提供到电流确定例程210，其分别确定直流和正交电流命令Id*212和Iq*214。电流控制例程250采用直流和正交电流命令Id*212和Iq*214来确定直流电压和正交电压命令Vd*252和Vq*254以及作为反馈项提供的调制指数平方M² 255。逆变器控制例程260采用直流电压和正交电压命令Vd*252和Vq*254来产生逆变器命令D_A、D_B和D_C262，以控制逆变器100处于线性调制模式或过调制模式，其控制电机140的操作。

转矩命令202、高压DC电源的电压电平204、电动机速度206以及调制指数平方M²255作为输入提供到电流确定例程210。

采用正交参考表220基于转矩命令202、高压DC电源的电压电平204以及电动机速度206来确定正交电流命令Iq*214的量值。正交参考表220对电机140是特定的，并且优选地通过在速度和转矩操作范围上电机140的表征而离线地确定。正交参考表220可被减少以作为存储在可由控制器105询问的非易失性存储器设备中的数值阵列而实践。

采用通量参考表230基于转矩命令202、高压DC电源的电压电平204以及电动机速度206来确定通量命令λ*232的量值。通量参考表230对电机140是特定的，并且优选地通过在速度和转矩操作范围上电机140的表征而离线地确定。通量参考表230可被减少以作为存储在可由控制器105询问的非易失性存储器设备中的数值阵列而实践。采用通量命令λ*232来确定初始直流命令I_di*236，其与直流反馈命令I_{d_FB}*248算术组合以确定直流命令I_d*212。

采用电动机速度206来确定初始调制指数平方M² 242，其为采用线性调制或过调制来操作逆变器100的命令。图3以图形方式示出了可用于确定相对于转速206的初始调制指数平方M² 242的值的调制指数校准表240。如图所示，初始调制指数平方M² 242相对于水平轴上的转速206在垂直轴上表示。水平轴上的转速206包括由第一速度水平n₁ 207和第二速度水平n₂ 208限定的速度范围。取决于转速206，初始调制指数平方M² 242可以是与线性调制模式243相关联的指数或与过调制模式244相关联的指数。当转速206落在速度范围之外时，即小于第一速度水平n₁ 207或大于第二速度水平n₂ 208，初始调制指数平方M² 242与过调制模式244相关联。当转速206落在速度范围内时，即在第一速度水平n₁ 207和第二速度水平n₂208之间，初始调制指数平方M² 242与线性调制模式243相关联。调制指数校准表240可在控制例程中实现为存储在可由电流确定例程210访问和询问的非易失性存储器设备中的一维阵列值。

过调制模式下的操作提高了电压利用率，但也可增加电动机电流和电池电流中的谐波。这种谐波电流可以在电动机和电池中产生噪声和振动。由于电动机的操作条件(例如功率、电流和通量水平)相对于电动机速度而改变，噪声和振动的量值取决于电动机速度而变化。因此，调制指数平方M² 255相对于电动机速度表征，以便在每个速度控制电机140产生的声学噪声水平。

当电机140以过调制模式操作时，可产生谐波频率，其导致可令乘客舱内的乘客不适的一定速度范围内的可闻声学声音。令人不适的可闻声学声音可由声音频谱以及相关联的可以以分贝(dB)测量的噪声水平来限定。作为示例，当电机140以过调制模式244操作时，即小于第一速度水平n₁ 207或大于第二速度水平n₂ 208，车辆乘客经受的可闻声音可以是令人不适的，即超过最大可接受噪声水平(以dB为单位)。车辆乘客经受的令人不适的可闻声音可以是由过调制模式244下的操作引起的并且与全六阶模式下的操作相关联的六阶谐波频率。相反，当电机140以在第一速度水平n₁ 207和第二速度水平n₂ 208之间的线性调制模式243操作时，车辆乘客经受的可闻声音可以是可接受的，即小于最大可接受噪声水平(以dB为单位)。

因此，选择初始调制指数平方M² 242以命令在第一速度水平n₁ 207和第二速度水平n₂ 208之间的线性调制模式243下的电机140的操作，以排除过调制模式下的操作。第一速度水平n₁ 207和第二速度水平n₂ 208对电机140及其应用是特定的，因此在开发期间可根据经验确定。此外，第一速度水平n₁ 207和第二速度水平n₂ 208的量值可以不同，取决于逆变器100是否响应于正转矩命令控制电机140作为电动机操作以产生转矩，或响应于负或反转矩命令控制电机140作为发电机操作以产生电力。

以过调制模式下操作有助于最大化逆变器100的电压输出能力，采用弱磁来减小反电动势。当电机140以小于实现最大功率输出相关联的基本速度的速度操作时，电压低于系统限制并随速度而增加。在基本速度时，电压等于最大允许电压电平。当电动机速度大于基本速度时，使用称为弱磁的方法，通量相对于速度成反比地减小。弱磁(可实现为一个或多个例程和校准)通过减小初始直流命令I_di*236来修改通量，以维持端电压。当以最大允许高压DC电源电压操作电机140时，电流消耗较少，因此电机140以更高效率操作。因此，系统的功率能力可最大化。以与最大允许高压DC电源电压相关联的电压电平操作电机140需要以过调制模式操作。

调制指数平方M² 255是可被限定为归一化基本参考电压的反馈项，并且被确定为峰值基本相位电压和最大可用电压的比率，并且具有在0.0和1.0之间的范围。调制指数平方M² 255可如下确定：

其中，

m_i是调制指数平方M² 255的平方根；

V_基是供应给电机140的电力的峰值基本相位电压，计算如下：

采用直流电压和正交电压命令Vd*252和Vq*254；以及，

V_DC是在HV+102和HV-104之间测量或以其他方式确定的来自高压DC电源的最大可用总线电压。

从初始调制指数平方M 242算术减去调制指数平方M² 255以确定差项245，其输入到比例积分控制器246以确定直流反馈命令I_{d_FB}*248。初始直流命令I_di*236与直流反馈命令I_{d_FB}*248算术组合以确定直流命令I_d*212。

电流控制例程250采用直流和正交电流命令Id*212和Iq*214来确定直流电压和正交电压命令Vd*252和Vq*254。逆变器控制例程260采用直流电压和正交电压命令Vd*252和Vq*254来产生逆变器命令D_A、D_B和D_C262，以控制逆变器100处于线性调制模式或过调制模式，其控制电机140的操作。以这种方式，逆变器100可以以过调制模式操作，从而在弱磁区域增加电机140的转速，同时管理噪声产生。

本领域普通技术人员将认识到，可从功能和/或逻辑块组件和/或各种处理步骤在本文中描述教导。应当认识到，这样的块组件可由配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件组成。此外，短语“可操作地连接”表示在两个或多个元件之间存在连接(以电气、机械、气动或另一连接形式)，其允许元件中的一个控制另一元件的操作以执行指定任务。

具体实施方式和附图或图是对本教导的支持和描述，但本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于实施本教导的一些最佳模式和其他实施例，但存在用于实践所附权利要求限定的本教导的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于控制可操作地电连接到电机并与控制器通信的逆变器的方法，其中所述逆变器电连接到高压DC电源总线，所述方法包括：

通过所述控制器监测在以过调制模式操作所述逆变器时所述电机的转速；以及

当所述转速在与以所述过调制模式操作所述电机产生的令人不适的可闻噪声相关联的速度范围内时，命令所述逆变器以线性调制模式操作。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：

通过所述控制器监测转矩命令和所述高压DC电源总线的电压电平；

基于所述转矩命令、所述电机的所述转速以及所述高压DC电源总线的所述电压电平来确定命令的正交电流；

基于所述转矩命令、所述电机的所述转速以及所述高压DC电源总线的所述电压电平来确定初始直流；

基于所述电机的所述转速来确定初始调制指数；

确定调制指数；

基于所述初始调制指数和所述调制指数来确定反馈电流命令；

基于所述初始直流和所述反馈电流命令来确定最终命令的直流；以及基于所述命令的正交电流和所述最终命令的直流来确定用于控制所述逆变器的操作命令。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述调制指数基于供应给所述逆变器的电力的峰值基本相位电压电平和来自所述高压DC电源总线的最大可用总线电压电平而确定。

4.如权利要求2所述的方法，其中基于所述电机的所述转速来确定所述初始调制指数包括：当所述转速落在与以所述过调制模式操作所述电机产生的令人不适的可闻噪声相关联的所述速度范围内时，选择与以所述线性调制模式控制所述逆变器相关联的所述初始调制指数的量值，其中所述速度范围由第一速度水平和第二速度水平限定。

5.如权利要求2所述的方法，其中基于所述电机的所述转速来确定所述初始调制指数包括：当所述转速落在由第一速度水平和第二速度水平限定的速度范围之外时，选择与用于控制所述逆变器的过调制模式相关联的所述初始调制指数的量值。

6.如权利要求2所述的方法，其中基于所述命令的正交电流和所述最终命令的直流来确定用于控制所述逆变器的所述操作命令包括：采用最终命令的直流和所述命令的正交电流以产生逆变器命令从而以所述线性调制模式控制所述逆变器。

7.如权利要求2所述的方法，其中基于所述命令的正交电流和所述最终命令的直流来确定用于控制所述逆变器的所述操作命令包括：采用所述最终命令的直流和所述命令的正交电流以产生逆变器命令从而以所述过调制模式控制所述逆变器。

8.如权利要求1所述的方法，其中以所述过调制模式操作所述电机产生的所述令人不适的可闻噪声由声音频谱和相关联的以分贝测量的噪声水平限定。

9.如权利要求1所述的方法，其中以所述过调制模式操作所述逆变器包括：控制所述逆变器的开关对以在所述电机的所述转子的每个循环循环通过六个非零状态中的每个状态一次；并且

其中命令所述逆变器以所述线性调制模式操作包括：命令所述逆变器控制所述逆变器的所述开关对中的每一对以在所述电机的所述转子的每个循环期间在所述非零状态和所述零状态中的两者之间多次切换。

10.一种装置，其包括：

可操作地电连接到电机的逆变器电路；

电连接到所述逆变器电路的高压DC电源；

与所述逆变器和所述电机通信的控制器，所述控制器包括指令集，所述指令集可执行用于：

命令所述逆变器以过调制模式操作并且监测该操作期间所述电机的转速；以及

当所述转速在与以所述过调制模式操作所述电机产生的令人不适的可闻噪声相关联的速度范围内时，命令所述逆变器以线性调制模式操作。