CN109546921B - 电机用的逆变器、车辆用的电机和操作逆变器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电机（1）的逆变器（3），该逆变器（3）包括至少两个并联连接的动力单元（6、8），每个动力单元配置为向定子绕组（4、5）提供多相AC输出（7、9）；以及控制单元（13），其被配置为向每个动力单元（6、8）提供一组脉冲序列，其中多组脉冲信号的相位彼此交错，其中控制单元（13）被配置为改变多组脉冲序列的脉冲频率，并在改变脉冲频率时将每组脉冲序列的相互相位调整到交错相位。

Description

电机用的逆变器、车辆用的电机和操作逆变器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于电机的逆变器，该逆变器包括至少两个并联连接的动力单元，每个动力单元被配置为向电机的定子绕组提供多相AC输出，并且控制单元被配置为向每个动力单元提供一组脉冲序列，其中多组脉冲序列的相位彼此交错。另外，本发明涉及用于车辆的电机和用于操作逆变器的方法。
背景技术
逆变器广泛用于将DC电压转换成多相AC输出，该多相AC输出提供电机的定子绕组。关于汽车应用，特别是电池电动车辆（BEV）和混合动力电动车辆，DC电压通常从高压电池获得，并且多相AC输出被提供给用于驱动电动车辆的电机。为了通过电机产生高扭矩，逆变器必须提供高AC电流。已经提出使用动力单元，其中每个开关元件包括两个或多个并联连接并由控制单元共同控制的半导体开关。然而，该解决方案经历了为每种应用单独设计这种动力单元所做的巨大努力。
此外，已经提出提供至少两个动力单元，每个动力单元配置为向电机提供多相AC输出，其中动力单元并联连接。通常，控制单元向每个动力单元提供一组交错脉冲序列。关于简单的脉冲序列，控制单元能够补偿动力单元之间的不对称电流。有利地，动力单元的这种交错脉冲减少了逆变器的DC链路中的波纹。Bhattacharya、Subhadeep等人的论文“用于双三相逆变器-PMSM的交错式SVPWM和DPWM：汽车应用”（在2014年IEEE运输电气化会议和展览会（ITEC），密歇根州迪尔伯恩，2014年，第1-6页）公开了这样一种逆变器。然而，尚未提出实现更复杂的控制方案，特别是对于多组脉冲序列的可变PWM频率。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种实现更复杂的逆变器控制方案的可能性，特别适合于满足有关成本和安装空间的高汽车需求。
关于最初描述的逆变器，根据本发明提出，控制单元被配置为改变多组脉冲序列的脉冲频率并且在当改变脉冲频率时将每组脉冲序列的相互相位调整到交错相位。
本发明基于以下考虑：通过使控制单元能够主动调整每组脉冲序列的相互相位，将交错并联逆变器和具有可变调制频率的逆变器的技术相结合。有利地，这允许使用复杂的控制方案，例如同步调制或脉冲频率摆动，同时操作具有并联连接的两个或多个动力单元的逆变器。当需要特别是用于汽车应用的高扭矩时，这可以从这些控制方案的优点中受益。关于成本和安装空间，逆变器通过使用由一个控制单元控制的适当数量的，优选地相似或相等的动力单元来允许可缩放的设计。
通常，每个动力单元提供三相AC输出。因此，逆变器可以提供与动力单元的数量和每个动力单元的输出相的数量的乘积相对应的多个输出相。电机可包括与逆变器的输出相对应的多个定子绕组。优选地，动力单元在结构上相同和/或配置为分开操作。动力单元可以是整体单元和/或配置为可拆卸地安装到逆变器。通常，每个动力单元包括多个开关元件，例如，半导体开关元件，例如绝缘栅双极晶体管、绝缘栅场效应晶体管或结型场效应晶体管。每个动力单元的开关元件可以连接到与动力单元的输出相的数量对应的半桥。每个开关元件可以包括控制端子，例如栅极端子，其可以由控制单元控制以根据一个脉冲序列进行切换。控制单元可以包括主单元，该主单元被配置为计算和/或指定可变频率随时间的值。术语“多组脉冲序列”指的是提供给一个动力单元的开关元件的脉冲序列。一组脉冲序列可以包括与一个动力单元的开关元件的数量相对应的多个脉冲序列。关于本发明，术语“交错”表示多组脉冲序列之间的时间偏移。
优选地，控制单元包括调制单元，该调制单元被配置为通过脉冲宽度调制来提供多组脉冲序列。因此，调制单元可以具有与要调制的交错频率的数量相对应的多个输入端口。交错频率的数量可以等于动力单元的数量。
根据本发明的逆变器的有利实施例，调制单元被配置为调制基本信号并将获得的一组脉冲序列提供给第一动力单元，其中控制单元包括用于每个其他动力单元的前馈单元，其被配置为调整基本信号的相位到交错相位，其中调制单元被配置为调制调整的基本信号并将获得的一组脉冲序列提供给其他一个或多个动力单元。因此可以通过改变基本频率来实现脉冲频率的变化。因此，第一动力单元可以由调制的基本信号控制，并且至少一个其他动力单元可以由调制调整的基本信号控制。换句话说，第一动力单元的基本信号用作其他动力单元的参考。因此，第一动力单元可以被认为是主动力单元，而其他动力单元可以被认为是从动力单元。
优选地，前馈单元具有有限的脉冲响应。特别地，前馈单元可以通过执行至少一个中间周期来适应基本信号的频率。因此，调整的基本信号可能滞后于基本信号。
此外，调制单元可以被配置为执行三角形基本信号和/或调整的三角形基本信号的基于载波的脉冲宽度调制。作为替代，调制单元可以被配置为执行基本信号和/或调整的基本信号的空间矢量脉冲宽度调制。在这种情况下，基本信号可以是调制单元可处理的特定输入量。
关于本发明的逆变器，优选的是，在改变频率之后，在预定数量的周期内，优选地在一个周期内执行调整。这允许非常快速地适应频率变化。
另外，控制单元可以包括至少一个PLL单元，其被配置为根据该组脉冲序列的实际相位和预定义的相位设定点来校正一组脉冲序列的相位。相位设定点和实际相位可以是由控制器主单元提供的信号。
基本上，相位的调整也可以由PLL单元执行。然而，由于PLL的建立时间可能包括几个周期，因此优选使用上述前馈单元进行频率调整。特别地，PLL单元可以分配给每个前馈单元或前馈单元，其中PLL单元和前馈单元被连接以校正调整的基本信号的相位。这允许合成具有高度精确的相位发展的多组脉冲序列。
另外，本发明涉及一种用于车辆的电机，包括本发明的逆变器和多个定子绕组装置，每个定子绕组装置配置为由一个动力单元供电。
此外，本发明涉及一种用于操作电机的逆变器的方法，该逆变器包括至少两个并联连接的动力单元，每个动力单元向电机的定子绕组提供多相AC输出，其中为每个动力单元提供一组脉冲序列，其中多组脉冲序列的相位彼此交错，其中改变多组脉冲序列的脉冲频率，并且在改变脉冲频率之后调整每组脉冲序列的相互相位。
涉及本发明的逆变器的所有陈述可以应用于本发明的电机和本发明的方法，使得本发明的逆变器实现的优点也可以通过本发明的电机和本发明的方法实现。
附图说明
在下文中，详细描述了本发明，从而参考主要附图，其示出：
图1是具有本发明的逆变器的本发明电机的实施例的方框图；以及
图2是描绘基本信号和调整的基本信号随时间变化的图示。
具体实施方式
图1是包括定子2和逆变器3的电机1的实施例的框图。电机1特别适合于驱动电动车辆，例如电池电动车辆（BEV）或混合动力电动车辆，其中逆变器3能够以低成本和小安装空间在高扭矩下提供复杂的控制方案。
定子2包括具有三个定子绕组4的第一定子绕组装置和具有三个定子绕组5的第二定子绕组装置。每个定子绕组装置的定子绕组4、5示例性地呈三角形连接。
逆变器3包括第一动力单元6和第二动力单元8，第一动力单元具有连接到第一定子绕组装置的定子绕组4的三相AC输出7，第二动力单元8具有连接到第二定子绕组装置的定子绕组5的三相AC输出9。动力单元6、8是基本相同的整体单元，并且配置为可拆卸地安装到逆变器3。动力单元6、8并联连接到逆变器3的DC链路10。
每个动力单元6、8包括多个连接到半桥的开关元件11。开关元件11是半导体开关元件，例如，绝缘栅双极晶体管、绝缘栅场效应晶体管（IGBT），例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或结型场效应晶体管（JFET）。每个开关元件11包括控制端子12，例如栅极端子，通过该控制端子12可将开关元件11切换到其导通和阻断状态。另外，每个动力单元6、8包括多个驱动器单元（未示出），每个驱动器单元串联连接到相应的开关元件11的控制端子12。
此外，逆变器3包括控制单元13，该控制单元13配置为向每个动力单元6、8提供一组脉冲序列。脉冲序列经由驱动器单元馈送到相应的控制端子12，用于放大脉冲序列，使得开关元件11将AC电流提供给AC输出7、9。在图1中，为简单起见，未示出控制单元13和开关元件11之间的布线。多组脉冲序列的相位随定子绕组4、5的布置彼此交错。
控制单元13包括调制单元14，该调制单元14配置为执行基于载波的脉冲宽度调制（PWM）并提供多组脉冲序列。到第一动力单元6的那组脉冲序列由控制器13的主单元16提供的基本信号15的调制产生。基本信号15是表示脉冲宽度调制脉冲序列的实际频率的三角形信号。因此，主单元16配置为随所实现的控制策略去改变基本信号的频率，例如脉冲频率的同步调制或摆动。
另外，基本信号15馈送到控制器13的前馈单元17。前馈单元具有一种有限的脉冲响应，并且配置为将基本信号15的相位调整到用于第二动力单元8的那组脉冲序列的交错相位。为了稳定从前馈单元17获得的调整的基本信号，控制器包括PLL单元18，其配置为根据实际相位19和从主单元16获得的预定相位设定点20来校正其相位。调制单元14获得经调整和校正的基本信号21并对其进行调制。因此，第一动力单元6可以被认为是用作从动单元的第二动力单元8的参考或主单元。
图2是描绘基本信号15和调整和校正的基本信号21随着时间t变化的图示。可以看出，两个信号具有相互相位偏移22，从而产生具有90°的相互相位的多组脉冲序列。在时间23，主单元16改变基本信号15的频率。该变化由前馈单元18检测，该前馈单元18调整基本信号15以在中间周期内保持相位22。然后，PLL单元18校正调整的基本信号，得到被调制并用于控制第二动力单元8的信号23，而调制的基本信号15用于控制第一动力单元6。
根据对应于上述逆变器的另一实施例的逆变器，提供两个以上的动力单元以供应定子2的相应数量的定子装置。这种配置对应于图1的实施例，其中提供了附加的第二动力单元8和前馈单元17和PLL单元18的附加分支。因此，第一动力单元6用作主单元，而多个第二动力单元8用作辅助单元。
根据对应于任何上述逆变器的另一实施例的逆变器，调制单元14配置为对基本信号进行空间矢量脉冲宽度调制，其总体上不是三角函数，而是一个用于调制单元14和相应修改的前馈单元18和PLL单元20的合适输入参数。

Claims (4)

1.一种用于电机（1）的逆变器（3），包括并联连接的第一动力单元(6)和第二动力单元(8)，且每个所述动力单元被配置为向所述电机（1）的定子绕组（4、5）提供多相AC输出（7、9）；以及控制单元（13），其被配置为向每个所述动力单元（6、8）提供一组脉冲序列，多组脉冲序列的相位彼此交错，所述控制单元（13）还被配置为改变所述多组脉冲序列的脉冲频率，并在改变所述脉冲频率时将每组脉冲序列的相互相位调整到交错相位，并且其中，在改变所述频率之后，在预定数量的周期内执行所述调整，
所述控制单元(13)包括：
前馈单元(17)，所述前馈单元(17)用于所述第二动力单元(8);
调制单元(14)，所述调制单元(14)被配置为通过脉冲宽度调制来提供所述多组脉冲序列，调制基本信号(15)以及将通过调制所述基本信号(15)而获得的一组脉冲序列提供给所述第一动力单元(6);
PLL单元(18)，所述PLL单元(18)被分配给所述前馈单元(17);以及
主单元(16)，所述主单元(16)被配置为向所述前馈单元(17)提供所述基本信号(15)，相对于实现的控制策略改变所述基本信号(15)的频率，并向所述PLL单元(18)提供实际相位(19)和预定相位设定点(20);其中
所述前馈单元(17)具有有限的脉冲响应，并且被配置为在改变所述频率之后的一个周期内将所述基本信号(15)的相位调整到用于所述第二动力单元(8)的所述多组脉冲序列的交错相位;其中
所述PLL单元(18)被配置为根据所述实际相位(19)和所述预定相位设定点(20)来校正相位，所述PLL单元(18)和所述前馈单元(17)连接以校正由所述前馈单元(17)调整的所述基本信号的相位，并且提供经调整和校正的基本信号(21)，所述基本信号(15)和所述经调整和校正的基本信号(21)具有相互相位偏移(22);其中
所述调制单元(14)还被配置为获得所述经调整和校正的基本信号(21)，对其进行调制并向所述第二动力单元(8)提供所述脉冲序列。
2.根据权利要求1所述的逆变器（3），其特征在于所述调制单元（14）被配置为执行三角形基本信号（15）的基于载波的脉冲宽度调制或所述基本信号（15）的空间矢量脉冲宽度调制。
3.一种用于车辆的电机（1），包括根据权利要求1或2所述的逆变器（3）和多个定子绕组装置，每个所述定子绕组装置配置为由一个动力单元（6、8）供电。
4.一种用于操作电机（1）的逆变器（3）的方法，所述逆变器（3）包括并联连接的第一动力单元(6)和第二动力单元(8)，且每个所述动力单元向所述电机（1）的定子绕组（4、5）提供多相 AC 输出（7、9），其中一组脉冲序列被提供给每个所述动力单元（6、8），多组脉冲序列的相位彼此交错，其中，通过逆变器(3)的控制单元(13)，改变所述多组脉冲序列的脉冲频率并在改变所述脉冲频率之后调整每组脉冲序列的相互相位，并且其中，在改变所述频率之后，在预定数量的周期内执行所述调整，
所述控制单元(13)包括:
前馈单元(17)，所述前馈单元(17)用于第二动力单元(8)，所述前馈单元(17)具有有限的脉冲响应;
调制单元(14)，所述调制单元(14)被配置为通过脉冲宽度调制来提供所述多组脉冲序列;
PLL单元（18），所述PLL单元(18)被分配给所述前馈单元(17);以及
主单元(16)，
所述方法包括:
通过所述主单元(16)向所述调制单元(14)提供基本信号(15);
通过所述调制单元(14)对所述基本信号(15)进行调制;
通过所述调制单元(14)将通过调制所述基本信号(15)而获得的一组脉冲序列提供给所述第一动力单元(6);
通过所述主单元(16)相对于实现的控制策略改变所述基本信号(15)的频率;
通过所述主单元(16)向所述PLL单元(18)提供实际相位(19)和预定相位设定点(20)；
通过所述前馈单元(17)，在改变所述频率之后的一个周期内将所述基本信号(15)的相位调整到用于所述第二动力单元(8)的所述多组脉冲序列的交错相位;
通过所述PLL单元(18)根据所述实际相位(19)和预定相位设定点(20)来校正相位，所述PLL单元(18)和所述前馈单元(17)连接以校正由所述前馈单元(17)调整的所述基本信号（15）的相位，并且提供经调整和校正的基本信号(21)，所述基本信号（15）和所述经调整和校正的基本信号(21)具有相互相位偏移(22);
通过所述调制单元(14)获得所述经调整和校正的基本信号(21);
通过所述调制单元(14)调制所述经调整和校正的基本信号(21);以及
通过所述调制单元(14)将所述脉冲序列提供给所述第二动力单元(8)。
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