CN107681951B

CN107681951B - 电机组件中切换频率的控制

Info

Publication number: CN107681951B
Application number: CN201710569772.0A
Authority: CN
Inventors: B·A·韦尔奇科; 靖鑫; C·C·斯坦库
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2037-07-13
Also published as: CN107681951A; US9774288B1; DE102017117210A1

Abstract

一种电机组件包括电机、逆变器和控制器，逆变器配置为提供特征为切换频率的脉宽调制。控制器具有处理器和有形的非瞬时存储器，该有形的非瞬时存储器上记录有用于执行控制切换频率以最小化拍频现象的方法的指令。通过处理器执行指令致使控制器至少部分地基于原始脉冲比(PR₀)获取第一函数(G₁)和第二函数(G₂)。原始脉冲比(PR₀)为切换频率和预定基频的比率。如果满足多个条件中的每一个，则至少部分地基于原始脉冲比(PR₀)、第一函数(G₁)和第二函数(G₂)来确定新脉冲比(PR_N)。

Description

电机组件中切换频率的控制

技术领域

本公开总体上涉及电机组件中切换频率的控制。

背景技术

电机，诸如内部永磁电机，通常包括在定子内旋转的转子。在具有提供脉宽调制的逆变器的电机组件中，电机电流的节律性或周期性失真发生，在本文称为拍频现象。拍频现象诱导针对相电流的相对大的谐波含量。

发明内容

一种电机组件包括控制器、电机和逆变器，逆变器配置为提供特征为切换频率的脉宽调制。控制器具有处理器和有形的非瞬时存储器，该有形的非瞬时存储器上记录有用于执行控制切换频率以最小化拍频现象的方法的指令。在第一实施例中，控制器被编程为至少部分地基于原始脉冲比(PR₀)获取第一函数(G₁)和第二函数(G₂)。原始脉冲比(PR₀)为切换频率和预定基频的比率。控制器被编程为确定是否满足多个条件中的每一个。如果满足多个条件中的每一个，则至少部分地基于原始脉冲比(PR₀)、第一函数(G₁)和第二函数(G₂)确定新脉冲比(PR_N)。控制器操作用以至少部分地基于新脉冲比(PR_N)控制电机的至少一个操作参数。

如果满足多个条件中的每一个且如果第二函数(G₂)小于阈值(T)，则控制器被编程为选择第一函数(G₁)作为新脉冲比(PR_N＝G₁)。如果满足多个条件中的每一个且如果第二函数(G₂)大于等于阈值(T)，则控制器被编程为选择原始脉冲比作为新脉冲比(PR_N＝PR₀)。如果未满足多个条件中的至少一个，则控制器被编程为选择原始脉冲比作为新脉冲比(PR_N＝PR₀)。

控制器被编程为确定新切换频率为新脉冲比与基频的乘积。第一函数(G₁)和第二函数(G₂)可以定义为：G₁＝6*四舍五入[PR₀/6]；以及G₂＝绝对值[PR₀-G₁]。

多个条件可包括：六步脉宽调制操作未生效；且调制指数为在阈值调制指数处或在阈值调制指数以上。多个条件可包括：原始脉冲比小于校准值；以及原始脉冲比不等于第一函数(G₁)。

在第二实施例中，控制器被编程为至少部分地基于原始脉冲比(PR₀)获取第一函数(H₁)、第二函数(H₂)和第三函数(H₃)，原始脉冲比(PR₀)为切换频率和预定基频的比率。控制器被编程为确定是否满足多个条件中的每一个以及至少部分地基于第一函数(H₁)确定比例因子(S)。如果满足多个条件中的每一个，则至少部分地基于原始脉冲比(PR₀)、比例因子(S)、第二函数(H₂)以及第三函数(H₃)确定新脉冲比(PR_N)。

如果满足多个条件中的每一个且如果第二函数(H₂)小于比例因子(S)，则控制器被编程为选择新脉冲比使得PR_N＝(H₁-1-S)。如果满足多个条件中的每一个，且如果第二函数(H₂)大于等于比例因子(S)，则控制器被编程为确定第三函数(H₃)是否小于比例因子(S)。如果满足多个条件中的每一个，第二函数(H₂)大于等于比例因子(S)，且第三函数(H₃)小于比例因子(S)，则控制器被编程为选择新脉冲比使得PR_N＝(H₁+1-S)。

如果满足多个条件中的每一个，第二函数(H₂)大于等于比例因子(S)，且第三函数(H₃)大于等于比例因子(S)，则控制器被编程为选择新脉冲比(PR_N＝PR₀)作为原始脉冲比。第一函数(H₁)、第二函数(H₂)和第三函数(H₃)可以定义为：H₁＝6*四舍五入[PR₀/6]；H₂＝绝对值[PR₀–(H₁-1)]；以及H₃＝绝对值[PR₀–(H₁+1)]。

当结合附图时，从用于执行本公开的最佳模式的以下详细描述中将很容易得出本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点。

附图说明

图1是具有电机和控制器的电机组件的示意图；

图2A是示出了存在拍频现象的图1的电机的电流对时间的实例图；

图2B是在应用用以最小化拍频现象的第一方法之后的图1的电机的电流对时间的实例图；

图3是根据第一实施例的由图1的控制器可执行的方法的流程图；

图4是根据第二实施例的由图1的控制器可执行的另一方法的流程图；

图5是根据第一实施例改变由图3的方法获得的脉冲比(或切换频率)区域的实例性示意图；以及

图6是根据第二实施例改变由图4的方法获得的脉冲比(或切换频率)区域的实例示例图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1示例性地示出了电机组件10。组件10包括电机12(“E”)。电机12可包括定子(未示出)和转子(未示出)。电机12可以为本领域技术人员已知的任何一种类型的交流电机，包括但不限于感应电机或同步电机。组件10可以是设备14的部件。设备14可以是移动平台，诸如但不限于标准客车、运动型多用途车、轻型卡车、重载车辆、ATV、小型货车、公交车、过境车辆、自行车、自动机、农具、运动相关设备、船、飞机、火车或任何其他运输设备。设备14可以是非移动平台。设备14可以采取许多不同形式且包括多个和/或备选部件和设施。

参照图1，电池组16(“DC”)可以操作地连接到电机12作为DC链路电压的源。可选地，DC链路电压可以由任何类型的DC源获得。逆变器18(“I”)可以操作地连接到电机12并配置为将DC电压转换为AC电压。逆变器18配置为提供脉宽调制以控制供给到电机12的功率。如本领域技术人员所理解，脉宽调制为用于将信息编码成脉冲信号的调制技术并且可以用于控制供给到负载(诸如电机12)的功率。通过快速打开和关闭电源和负载之间的开关(被称为切换频率)来控制供给到电机12的电压和电流的幅度和相位。

脉宽调制的存在导致电机12中的相电流的节律性或周期性失真(在本文称为拍频现象)。图2A是图1的电机12的电流(Id)对时间的实例性轨迹30(应用以下所述的方法100之前)。轨迹30示出了拍频现象的存在。拍频现象诱导针对相电流的相对大的谐波含量。拍频现象在过调制区域中的低脉冲比处尤其明显。参照图2B，应用以下所述的用于最小化拍频现象的方法100之后的图1的电机12的电流(Id)对时间的实例性轨迹40。

参照图1，组件10包括操作地连接到电机12和逆变器18或与电机12和逆变器18电子连接的控制器20(“C”)。控制器20包括至少一个处理器P和至少一个存储器M(或任何非瞬时、有形计算机可读存储介质)，该至少一个存储器M上记录有执行控制切换频率以最小化拍频现象的分别示于图3-4的方法100和/或方法200的指令。存储器M可存储控制器可执行指令选择，且处理器P可执行存储于存储器M中的控制器可执行指令选择。无需以本文所述的特定顺序应用方法100、200。此外，应当理解，一些框可以被最小化。

经由脉冲比(PR)控制切换频率(F_s)，脉冲比可以定义为切换频率与基频(FF)的比率，即，PR＝(F_s/FF)。图1的控制器20具体地编程为执行方法100、200的框(如以下详细讨论)并可以接收来自各种传感器的输入。另外，控制器20可以编程为通过建模或本领域技术人员已知的任何其他评估技术来确定各种物理因素。

拍频现象诱导针对相电流的相对大的谐波含量，尤其是当脉冲比为非第二和非第三数量(即，不是2或3的倍数)时，诸如11、13、17时。修正的切换频率可以使脉冲比为第六阶，当与非第六阶脉冲比相比时其使电流波形质量更好。方法100和200被配置为最小化拍频现象，降低DQ电流中的低阶谐波含量以及提高过调制区域中低脉冲比处的电流波形质量，从而改善组件10的机能。

根据第一实施例以及现参照图3，示出了存储于图1的控制器20并由图1的控制器20执行的方法100的流程图。参照图3，方法100可开始于框102，其中控制器20被编程或配置为至少部分地基于原始脉冲比(PR₀)获取第一函数(G₁)和第二函数(G₂)。在一个实施例中，第一函数(G₁)和第二函数(G₂)被定义为：

G₁＝6*四舍五入[PR₀/6]；以及

G₂＝绝对值[PR₀-G1]。

如本领域技术人员所理解，“四舍五入”函数使括号中的值四舍五入为最接近的整数。在图3的框104中，控制器20被编程为确定是否满足多个条件(“PC？”)中的每一个。多个条件可包括以下所列条件中的一些或所有。多个条件可包括：原始脉冲比小于校准值。多个条件可包括：原始脉冲比不等于第一函数(G₁)。

多个条件可包括：六步脉宽调制操作未生效。如本领域技术人员所理解，六步脉宽调制(PWM)操作为操作模式，其中在一个基本循环(即电气速度)期间的六个间隔处(对于3相逆变器)应用电压矢量。六步脉宽调制(PWM)操作为提高处于低至轻负载或转矩状况的组件10(电机12加上逆变器18)的效率以及增加电压应用以增加电机12的峰值转矩的所需操作模式。六步脉宽调制(PWM)操作应用于电机12的从零转矩到峰值转矩能力的高速区域。

多个条件可包括：调制指数在阈值调制指数处或在阈值调制指数以上。调制指数可以定义为最大可能马达相与组件10可产生的中性点输出电压的百分比。在一个实施例中，调制指数被定义为：

在所示实施例中，DV链路电压为逆变器18之前的输入DC电压，其可以经由第一传感器22测量。逆变器18的输出电压可以经由第二传感器24来测量。可选地，可以根据本领域技术人员已知的任何评估技术评估或建模输出电压和DC链路电压。调制指数可以基于手头的应用不同地定义。

如果满足根据框104的多个条件中的每一个，则方法100前进到框106。在框106，控制器20被编程为确定第二函数(G₂)是否小于阈值(T)。如果第二函数(G₂)小于根据框106的阈值(T)，则方法100前进到框108，其中控制器20被编程为选择第一函数(G₁)作为新脉冲比(PR_N＝G₁)。

如果第二函数(G₂)大于等于根据框106的阈值(以及满足多个条件中的每一个)，则方法100前进到框110，如线107所示。在框110，控制器20被编程为选择原始脉冲比作为新脉冲比(PR_N＝PR₀)。因此，如果满足多个条件中的每一个，则至少部分地基于原始脉冲比(PR₀)、第一函数(G₁)和第二函数(G₂)确定新脉冲比(PR_N)。如果未满足多个条件中的至少一个，则方法100前进到框110，如线105所示，其中控制器20被编程为选择原始脉冲比作为新脉冲比(PR_N＝PR₀)。

根据框108和110，方法100前进到框112，其中控制器20被编程为确定新切换频率(F_s)为新脉冲比(PR_N)与预定基频(FF)的乘积，即，F_s＝(PR_N*FF)。控制器20操作用以至少部分地基于新脉冲比(PR_N)和新切换频率(F_s)控制电机12的至少一个操作参数。

根据第二实施例以及现参照图4，示出了存储于图1的控制器20并由图1的控制器20执行的方法200的流程图。参照图4，方法200可开始于框202，其中控制器20被编程或配置为至少部分地基于原始脉冲比(PR₀)获取函数(H₁)、第二函数(H₂)和第三函数(H₃)。在一个实施例中，第一函数(H₁)、第二函数(H₂)和第三函数(H₃)被定义为：

H₁＝6*四舍五入[PR₀/6]；

H₂＝绝对值[PR₀–(H₁-1)]。以及

H₃＝绝对值[PR₀–(H₁+1)]。

在框202，控制器20可以编程为至少部分地基于第一函数(H₁)确定比例因子(S)。可以基于第一函数(H₁)从查找表中获取比例因子(S)。术语“查找表”用来代表本领域技术人员已知的任何类型的表，数据储存库或数据存储装置。查找表可以在测试发电机中或实验条件下获取。在一个实例中，比例因子(S)具有1的值。

在图4的框204中，控制器20被编程为确定是否满足多个条件(“PC？”)中的每一个。多个条件可以与以上参照方法100所述的相同。多个条件可以基于手头的应用不同地定义。

如果在框204满足多个条件中的每一个，则方法200前进到框206。在框206，控制器20被编程为确定第二函数(H₂)是否小于比例因子(S)。如果第二函数(H₂)小于比例因子(S)，则方法200前进到框208，其中控制器20被编程为选择新脉冲比使得PR_N＝(H₁-1-S)。

如果满足多个条件中的每一个且如果第二函数(H₂)大于等于比例因子(S)，则方法200前进到框210，如线207所示。在框210，控制器20被编程为确定第三函数(H₃)是否小于比例因子(S)。如果满足多个条件中的每一个，第二函数(H₂)大于等于比例因子(S)，且第三函数(H₃)小于比例因子(S)，则方法200前进到框212，其中控制器20被编程为选择新脉冲比使得PR_N＝(H₁+1-S)。

如果未满足多个条件中的至少一个，则方法200前进到框214，如线205所示，其中控制器20被编程为选择原始脉冲比作为新脉冲比(PR_N＝PR₀)。如果满足多个条件中的每一个，第二函数(H₂)大于等于比例因子(S)且第三函数(H₃)大于等于比例因子(S)，则方法200前进到框214，如线211所示。在框214，控制器20被编程为选择新脉冲比(PR_N＝PR₀)作为原始脉冲比。

根据框208、210和212，方法200前进到框216，其中控制器20被编程为确定新切换频率(F_s)为新脉冲比(PR_N)与预定基频(FF)的乘积，即，F_s＝(PR_N*FF)。控制器20操作用以至少部分地基于新脉冲比(PR_N)和新切换频率(F_s)控制电机12的至少一个操作参数。

图5是根据第一实施例改变由图3的方法100获得的脉冲比(或切换频率)区域的实例性示意图。图6是根据第二实施例改变由图4的方法200获得的脉冲比(或切换频率)区域的实例性示意图。在图5-6中，脉冲比示出在横轴上，其中第六阶脉冲比(即，六的倍数诸如PR＝12、18、24、32等)以粗体表示。在图5-6中，相应阴影/阴影线部分表示分别在方法100、200改变的脉冲比，而相应非阴影部分表示分别在方法100、200中未改变的脉冲比。在图5-6中，谐波标记为第一、第二和第三。

参照图5，在方法100，方向302A、302B、304A、304B、306A、306B、308A以及308B(分别代表PR＝12、18、24、30以下和以上的区域)中的每一个指向相应第六阶脉冲比使得输入到方法100的脉冲比偏移朝向第六阶脉冲比(分别是PR＝12、18、24、30)。

参照图6，在方法200，方向310B、312B、314B和316B(分别代表PR＝12、18、24、30以上的区域)中的每一个指向相应第六阶脉冲比。换句话说，从PR＝12、18、24、30以上的区域输入到方法200的相应脉冲比向相应第六阶脉冲比(分别是PR＝12、18、24、30)偏移。然而，方向310A、312A、314A以及316(分别是PR＝12、18、24、30以下的区域)指向远离相应第六阶脉冲比的方向。因此，从PR＝12、18、24、30以下的区域输入到方法200的相应脉冲比从第六阶脉冲比(分别是PR＝12、18、24、30)偏移离开。可以选择比例因子(S)来改变图6中相应阴影/阴影线部分的大小。

总之，切换频率控制的方法100、200是基于脉冲比以最小化过调制区域中低脉冲比处的拍频的影响。

图1的控制器20可以是组件10的其他控制器的整体部分或者操作地连接到组件10的其他控制器的独立模块。图1的控制器20包括计算机可读介质(还称为处理器可读介质)，该计算机可读介质包括参与提供可以由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非瞬时(例如，有形)介质。这种介质可采取许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。例如，非易失性介质可包括光盘或磁盘以及其它持久存储器。易失性介质可包括例如动态随机存取存储器(DRAM)，其可以构成主存储器。这种指令可以由一个或多个传输介质传输，包括同轴电缆、铜线和光纤，包括包含耦接到计算机的处理器的系统总线的线。计算机可读介质的一些形式包括例如软盘片、软盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其它光学介质、穿孔卡、纸带、带有穿孔图案的任何其它物理介质、RAM、PROM、EPROM、闪存EEPROM、任何其它存储芯片或盒、或计算机能够读取的任何其它介质。

查找表、数据库、数据储存库或本文所述的其他数据存储器可包括用于存储、访问以及检索各种类型数据的各种类型的机构，包括层次数据库、文件系统中的文件选择、以专用格式的应用数据库、关系数据库管理系统(RDBMS)等。每个这种数据存储器可以包含在应用计算机操作系统(诸如以上所提及的那些中的一个)的计算设备内，且可以以各种手段中的任意一个或多个经由网络访问。文件系统可从计算机操作系统访问，且包括以各种形式存储的文件。除了用于创建、存储、编辑以及执行所存储程序的语言(诸如以上所提及的PL/SQL语言)之外，RDBMS还可应用结构化查询语言(SQL)。

详细描述和附图或图仅支持和描述本公开，但本公开的范围仅由权利要求限定。尽管已经详细描述了用于实施所要求的公开内容的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公开内容的各种备选设计和实施例。此外，附图中所示的实施例或本说明书所提及的各种实施例的特征未必理解为彼此独立的实施例。而是，可能的是，实施例的实例之一中描述的特征中的每一个可以与来自其他实施例的其他所需特征中的一个或多个相结合，导致其他实施例不以文字或参照附图描述。因此，这种其他实施例落入所附权利要求书的范围的框架内。

Claims

1.一种电机组件，其包括：

电机和逆变器，所述逆变器配置为提供特征为切换频率的脉宽调制；

操作地连接到所述电机和逆变器的控制器；

其中所述控制器具有处理器和有形的非瞬时存储器，所述有形的非瞬时存储器上记录有用于执行控制所述切换频率以最小化拍频现象的方法的指令，通过所述处理器执行所述指令致使所述控制器：

至少部分地基于原始脉冲比（PR₀）获取第一函数（G₁）和第二函数（G₂），所述原始脉冲比（PR₀）为所述切换频率和预定基频的比率；

确定是否满足多个条件中的每一个；

如果满足所述多个条件中的每一个，则至少部分地基于所述原始脉冲比（PR₀）、所述第一函数（G₁）和所述第二函数（G₂）来确定新脉冲比（PR_N），所述新脉冲比为新切换频率和预定基频的比率；且

其中所述控制器操作用以至少部分地基于所述新脉冲比（PR_N）控制所述电机的至少一个操作参数，

其中多个条件包括：六步脉宽调制操作未生效；以及调制指数为在阈值调制指数处或在阈值调制指数以上，或者多个条件包括：原始脉冲比小于校准值；以及原始脉冲比不等于第一函数。

2.根据权利要求1所述的组件，其中：

如果满足所述多个条件中的每一个且如果所述第二函数（G₂）小于阈值（T），则所述控制器被编程为选择所述第一函数（G₁）作为所述新脉冲比（PR_N=G₁）。

3.根据权利要求1所述的组件，其中：

如果满足所述多个条件中的每一个且如果所述第二函数（G₂）大于等于阈值（T），则所述控制器被编程为选择所述原始脉冲比作为所述新脉冲比。

4.根据权利要求1所述的组件，其中所述控制器被编程为确定新切换频率为所述新脉冲比（PR_N）与预定基频（FF）的乘积。

5.根据权利要求1所述的组件，其中：所述第一函数（G₁）和所述第二函数（G₂）被定义为：

第一函数（G₁）=6*四舍五入[原始脉冲比（PR₀）/6]；以及

第一函数（G₂）=绝对值[原始脉冲比（PR₀）-第一函数（G₁）]。

6.一种电机组件，其包括：

操作地连接到所述电机和逆变器的控制器；

至少部分地基于原始脉冲比（PR₀）获取第一函数（H₁）、第二函数（H₂）和第三函数（H₃），所述原始脉冲比（PR₀）为所述切换频率和预定基频的比率；

确定是否满足多个条件中的每一个；

至少部分地基于所述第一函数（H₁）确定比例因子（S）；

如果满足所述多个条件中的每一个，则至少部分地基于所述原始脉冲比（PR₀）、所述比例因子（S）、所述第二函数（H₂）以及所述第三函数（H₃）确定新脉冲比（PR_N），所述新脉冲比为新切换频率和预定基频的比率；且

其中所述控制器操作用以至少部分地基于所述新脉冲比（PR_N）控制所述电机的至少一个操作参数；

7.根据权利要求6所述的组件，其中：

如果满足所述多个条件中的每一个，且如果所述第二函数（H₂）小于所述比例因子（S），则所述控制器被编程为选择所述新脉冲比使得新脉冲比（PR_N）=(第一函数（H₁）-1-比例因子（S）)。

8.根据权利要求6所述的组件，其中：

如果满足所述多个条件中的每一个，且如果所述第二函数（H₂）大于等于所述比例因子（S），则所述控制器被编程为确定所述第三函数（H₃）是否小于所述比例因子（S）；且

如果满足所述多个条件中的每一个，所述第二函数（H₂）大于等于所述比例因子（S），且所述第三函数（H₃）小于所述比例因子（S），则所述控制器被编程为选择所述新脉冲比使得新脉冲比（PR_N）=(第一函数（H₁）+1-比例因子（S）)。

9.根据权利要求6所述的组件，其中：

如果满足所述多个条件中的每一个，所述第二函数（H₂）大于等于所述比例因子（S），且所述第三函数（H₃）大于等于所述比例因子（S），则所述控制器被编程为选择所述原始脉冲比作为所述新脉冲比。

10.根据权利要求6所述的组件，其中：所述第一函数（H₁）、所述第二函数（H₂）和所述第三函数（H₃）被定义为：

第一函数（H₁）=6*四舍五入[原始脉冲比（PR₀）/6]；

第二函数（H₂）=绝对值[原始脉冲比（PR₀）–(第一函数（H₁）-1)]；以及

第三函数（H₃）=绝对值[原始脉冲比（PR₀）–(第一函数（H₁）+1)]。