CN108336943A - 用于电机的多逆变器系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于电机的多逆变器系统。一种车辆可包括电机，所述电机包括具有非零相位偏移的绕组。所述车辆还可包括第一逆变器和第二逆变器，所述第一逆变器和第二逆变器被配置为通过开关的切换来驱动所述电机。所述开关可根据对应的脉宽调制(PWM)信号而被切换。一个或更多个栅极驱动器可被配置为生成所述PWM信号。所述PWM信号可基于具有相位偏移的基波波形，所述相位偏移基于所述电机的非零相位偏移。

Description

用于电机的多逆变器系统
技术领域
本公开涉及用于电机的多逆变器系统。
背景技术
电机基于磁场而运转。磁场的产生基于流过电机绕组的电流的幅值。意味着，增加电流提高电机的可用功率。为了增加电流，逆变器需要更多输入电流。逆变器的增加的电流需求可能使DC总线利用增加的波动电流向逆变器供电，这可能需要更大的总线电容器或其他装置来补偿。
发明内容
一种车辆可包括电机，所述电机包括具有非零相位偏移的绕组。所述车辆还可包括第一逆变器和第二逆变器，所述第一逆变器和第二逆变器被配置为通过开关的切换来驱动所述电机。所述开关可根据对应的脉宽调制(PWM)信号而被切换。一个或更多个栅极驱动器可被配置为生成所述PWM信号。所述PWM信号可基于具有相位偏移的基波波形，所述相位偏移基于所述电机的非零相位偏移。
一种电驱动系统可包括DC链路电容器和第一逆变器，所述第一逆变器被配置为从所述DC链路电容器汲取电力，并且具有通过栅极驱动器进行切换的开关。所述栅极驱动器可被配置为生成第一脉宽调制(PWM)信号。所述第一脉宽调制信号可基于通过第一基波波形调制的第一载波波形。所述电驱动系统还可包括第二逆变器，所述第二逆变器被配置为从所述DC链路电容器汲取电力，并且具有通过栅极驱动器进行切换的开关。所述栅极驱动器可被配置为生成第二PWM信号。所述第二PWM信号可基于第二载波波形，所述第二载波波形相对于所述第一载波波形进行相位偏移，并且通过相对于第一基波波形的第二基波波形相位偏移被调制。
一种车辆可包括具有绕组的电机。所述车辆还可包括一对逆变器，所述一对逆变器从共用DC总线汲取电力，并且被配置为将交流电输出到所述绕组。所述车辆还可包括一对栅极驱动器，所述一对栅极驱动器被配置为基于所述电机的转速和相位偏移使得与每个栅极驱动器相关联的载波的对应相位发生偏移。所述偏移可响应于共用DC总线的预测纹波电流超过阈值。
附图说明
图1是具有电驱动系统的车辆的示意图；
图2是示出具有相位偏移的两个基波波形的曲线图；
图3是示出具有相位偏移的两个载波波形的曲线图；
图4是示出相对于不同基波波形的相位偏移的最小归一化电流纹波比的曲线图；
图5是具有相对于不同载波波形的相位偏移的归一化电流纹波比并且具有30°的基波波形的相位偏移的示出局部最小值的曲线图；
图6是具有相对于不同载波波形的相位偏移的归一化电流纹波比并且具有0°的基波波形的相位偏移的示出局部最小值的曲线图；
图7是具有相对于不同载波波形的相位偏移的归一化电流纹波比并且具有60°的基波波形的相位偏移的示出局部最小值的曲线图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，将理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种形式和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
电机可能需要交流电。因为电池存储的电力通常为直流的，所以可在电机与电池之间应用逆变器，以确保不管输入电流的形式如何电机的电流是所需的形式。DC总线电容器可与逆变器和直流电源并联连接，以在逆变器的开关被致动时吸收电流波动。在一些实例中，可使用多个逆变器以减小逆变器和电机绕组的电流的幅值。每个逆变器输出可与单独的电机绕组相对应。逆变器的增加的电流需求可能需要更大、更昂贵的DC总线电容器以用于保持总线电压并满足由来自电池的不足的电流响应导致的电流动态需求，还减少了进入电池的电流波动。
可通过PWM信号驱动逆变器开关。开关的输出用于驱动电机。可由载波与基波或参考波生成PWM信号。可改变PWM信号的特性以减少DC总线的电流纹波(current ripple)。为了生成PWM信号，载波可以是三角波、锯齿波或其它波形。基波可以是对应于电机需要的波形的正弦波。基波的频率可被调整以改变电机的运转转速。基波的峰值至峰值的幅值可被调整以改变调制指数，从而改变逆变器的输出电压。预期的或测量的电流消耗可被用于估计关于每个相位的功率因数。可利用基波、调制指数或其它方法来校正功率因数。
如以上所述，可改变PWM信号的特性以减少DC总线的电流纹波。一种这样的特性是针对逆变器每个相位(比如，U、V和W)的占空比的定时。对开关的致动进行偏移可通过对逆变器的电流需求进行分配而使DC总线的电流纹波减小。例如，来自一个栅极驱动器的PWM信号可被延迟并用作其它栅极驱动器的PWM信号。这种延迟可使对应的逆变器输出的相位发生偏移。延迟的大小可基于电机的期望转速或相位偏移。
不止通过PWM信号的时间调整的偏移可实现开关的致动的偏移。例如，针对每个逆变器相位的基波波形可从其它逆变器的对应的相位进行偏移。意味着，针对每个逆变器的相位A而发送到对应的栅极驱动器的基波波形相对于彼此进行偏移。所述偏移可等于或基于电机绕组的偏移。针对其它相位而发送到对应栅极驱动器的基波波形可具有相同的相位偏移。
在另一实施例或相同实施例中，可实施载波的相位偏移以对开关的致动进行偏移。例如，关于每个逆变器相位的载波波形可从其它逆变器的对应相位进行偏移。意味着，针对每个逆变器的相位A而发送到对应的栅极驱动器的载波波形相对于彼此进行偏移。所述偏移可基于相关联的基波波形的频率或相位偏移。例如，当基波波形具有100Hz的频率或零度的相位偏移时，载波可从其它逆变器的相应相位偏移80°。基于基波波形的调制指数和相位偏移或相位的功率因数可以在给定频率或转速调整偏移。可使用或利用查找表、数据库或算法确定载波之间的最佳相位偏移。查找表可使均方根(RMS)电容器电流纹波和载波偏移与其它因素(例如，基波波形的调制指数、功率因数和相位偏移)相关联以使所枚举情况下的电流纹波最小化。例如，按照特定转速在查找表中查找可得到多于一个的推荐相位偏移值。可使用查找表中的其它参数确定最佳相位偏移值。最优化处理提供了给定转速处的功率因数接近于一的最小电流纹波。
现参照图1，示出了用于车辆100的电驱动系统。电驱动系统包括电机102，所述电机102具有双三相绕组或双六相绕组。电机可具有任意数量的相位或绕组。例如，两绕组电机可使每个绕组由对应的逆变器供电并体现本公开的教导。绕组可具有被并入电机结构的非零相位偏移。车辆还包括牵引电池104。牵引电池104可以由用于产生直流电的任何类型的物理或化学成分组成。电池还可以是通用DC源。牵引电池104与输出或直流(DC)链路电容器106并联连接。电容器106消除线电压的扰动，并确保来自DC总线108和110的快速电流响应，所述DC总线108具有正极导轨108，所述DC总线110具有负极导轨110。电容器106和电池104与逆变器120和140并联连接，所述逆变器120和140从DC总线108和110汲取电力。如图所示，每个逆变器分别具有偏移120°的三个相位U1、V1、W1以及U2、V2和W2。每个相位具有一对IGBT开关以将直流转换为交流。所述开关包括阻塞二极管(blocking diode)。所述开关通过栅极进行操作。所述栅极可基于电压或电流变化进行致动。例如，与每个逆变器120和140相关联的栅极驱动器或多个栅极驱动器122和142可根据需要针对每个栅极生成各自的PWM信号124和144。PWM信号124和144可通过经由各自的基波波形126和146对各自载波波形128和148的调制而生成。PWM信号124和144用于驱动每个开关的栅极以产生由电机102使用的输出波形130和150。
现参照图2，示出了曲线图。曲线图具有基波波形126和146。基波波形可对应于用于产生针对每个逆变器的相应相位的PWM信号的对应基波。例如，基波波形126和146可用于产生针对U1和U2的PWM信号。基波波形126和146可具有非零相位偏移160。非零相位偏移160可与图1的电机102的相绕组的相位偏移相对应。
现参照图3，示出了曲线图。曲线图具有载波波形128和148。载波波形可对应于用于产生针对每个逆变器的PWM信号的对应载波。例如，载波波形128和148可用于产生针对U1和U2或U1、V1、W1、U2、V2和W2的PWM信号。载波波形128和148可具有非零相位偏移170。非零相位偏移170可与图1的电机102的基波波形130和150的频率和/或相位偏移相对应。
现参照图4，示出了曲线图。该曲线图包括对应于不同相位偏移160的归一化的纹波比曲线164和给定偏移160处相对应的归一化的纹波比168。按照通过DC总线的RMS电流纹波的绝对值除以具有基波波形的零度相位偏移和零度载波偏移的通过DC总线的RMS电流纹波的绝对值计算归一化纹波比。如图所示，最佳基波波形的相位偏移为60°(166)。意味着，针对U1的基波相对于U2的基波偏移60°以使纹波电流最小化。
现参照图5，示出了曲线图。该曲线图包括对应于不同载波波形的相位偏移170的归一化纹波比曲线176和给定偏移170处对应的归一化纹波比172。按照通过DC总线的RMS电流纹波的绝对值除以具有基波波形的30°相位偏移和零度载波偏移的通过DC总线的RMS电流纹波的绝对值计算归一化的纹波比。如图所示，最佳载波波形的相位偏移为90°和270°(174)。意味着，用于产生针对U1的PWM信号的载波波形相对于用于产生U2的PWM信号的载波波形偏移90°或270°以使纹波电流最小化。
现参照图6，示出了曲线图。该曲线图包括对应于不同载波波形相位偏移170的归一化纹波比曲线176和给定偏移170处对应的归一化纹波比172。按照通过DC总线的RMS电流纹波的绝对值除以具有基波波形的0°相位偏移和180°载波偏移的通过DC总线的RMS电流纹波的绝对值计算归一化的纹波比。如图所示，最佳载波波形的相位偏移为80°和280°(174)。意味着，用于产生针对U1的PWM信号的载波波形相对于用于产生U2的PWM信号的载波波形偏移80°或280°以使纹波电流最小化。
现参照图7，示出了曲线图。该曲线图包括对应于不同载波波形相位偏移170的归一化纹波比曲线176和给定偏移170处对应的归一化纹波比172。按照通过DC总线的RMS电流纹波的绝对值除以具有60°的基波波形相位偏移和0°载波偏移的通过DC总线的RMS电流纹波的绝对值计算归一化的纹波比。如图所示，最佳载波波形的相位偏移为100°和260°(174)。意味着，用于产生针对U1的PWM信号的载波波形相对于用于产生U2的PWM信号的载波波形偏移100°或260°，并且用于产生针对U1的PWM信号的基波波形相对于用于产生U2的PWM信号的基波波形偏移60°，以使纹波电流最小化。电机的绕组还必须偏移60°以确保在电机中通过基波波形产生适当的磁场。
上述数据可作为点数据或回归方程存储在查找表或数据库中。所述数据可与关于调制指数和功率因数的附加数据以及转速信息相结合。控制器或计算机可使用存储的或确定的信息以通过使DC链路纹波电流最小化并调整上述的参数来优化DC链路纹波电流。例如，具有60°偏移的绕组的电机可包括成对的具有偏移的基波栅极驱动器波形的逆变器。电机的命令转速可以为100Hz。然后，控制器可基于预定回归方程或数据点调整针对每个栅极驱动器的载波偏移(例如，针对功率因数是0.68和调制指数是0.86，将载波波形设置为异相100°)，以使DC链路纹波电流最小化。控制器可基于调制指数、功率因数和未示出的转速数据来以类似方式调整相移角。
说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (20)

1.一种车辆，包括：
电机，包括具有非零相位偏移的绕组；
第一逆变器和第二逆变器，被配置为：通过根据对应的脉宽调制(PWM)信号进行开关的切换来驱动所述电机；
一个或更多个栅极驱动器，被配置为：基于具有相位偏移的基波波形而生成所述PWM信号，所述相位偏移基于所述非零相位偏移。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述PWM信号还基于具有载波波形相位偏移的载波波形，所述载波波形相位偏移基于所述基波波形的频率和相位偏移。
3.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述载波波形相位偏移为80度。
4.根据权利要求3所述的车辆，其中，所述频率为100Hz。
5.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述载波波形相位偏移基于第一逆变器和第二逆变器的输出波形的功率因数。
6.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述载波波形相位偏移基于所述基波波形的调制指数。
7.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述第一逆变器和第二逆变器通过直流链路电容器供电。
8.一种电驱动系统，包括：
DC链路电容器；
第一逆变器，被配置为：从所述DC链路电容器汲取电力，并且具有根据第一脉宽调制(PWM)信号通过栅极驱动器进行切换的开关，所述第一脉宽调制(PWM)信号基于通过第一基波波形调制的第一载波波形；
第二逆变器，被配置为：从所述DC链路电容器汲取电力，并且具有根据第二PWM信号通过栅极驱动器进行切换的开关，所述第二PWM信号基于第二载波波形，所述第二载波波形相对于第一载波波形具有第二载波波形相位偏移，并且所述第二载波波形通过相对于第一基波波形的第二基波波形相位偏移被调制。
9.根据权利要求8所述的电驱动系统，其中，所述第二载波波形相位偏移基于由第一基波波形和第二基波波形共用的可变基频。
10.根据权利要求9所述的电驱动系统，其中，针对所述可变基频的至少两个频率，所述第二载波波形相位偏移是不同的。
11.根据权利要求10所述的电驱动系统，其中，所述第二载波波形相位偏移基于由第一逆变器和第二逆变器驱动的电机的功率因数。
12.根据权利要求10所述的电驱动系统，其中，所述第二载波波形相位偏移基于第一逆变器和第二逆变器的输出波形的相位偏移。
13.根据权利要求10所述的电驱动系统，其中，所述第二载波波形相位偏移保持归一化的链路电容器纹波电流低于0.90。
14.根据权利要求10所述的电驱动系统，其中，所述相位偏移为80度。
15.根据权利要求14所述的电驱动系统，其中，所述可变基频为100Hz。
16.一种车辆，包括：
电机，包括绕组；
一对逆变器，从共用DC总线汲取电力，并且被配置为将交流电输出到所述绕组；
一对栅极驱动器，被配置为：响应于共用DC总线的预测纹波电流超过阈值，基于所述电机的转速使得与每个栅极驱动器相关联的载波的对应相位发生偏移。
17.根据权利要求16所述的车辆，其中，与所述一对逆变器相关联的基波波形的对应相位具有基于所述绕组的非零相位偏移的相位偏移。
18.根据权利要求17所述的车辆，其中，所述非零相位偏移为60°。
19.根据权利要求18所述的车辆，其中，所述一对逆变器与直流链路电容器并联。
20.根据权利要求18所述的车辆，其中，所述载波的相位偏移为100°。
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