CN109964394B - 用于多相电机的dc总线纹波消除 - Google Patents

用于多相电机的dc总线纹波消除 Download PDF

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Abstract

披露了一种多相电动机系统以及一种用于控制多相电动机系统的方法。用于控制该多相电动机系统的方法包括：利用多个调制信号对多个载波信号进行调制，以便为该电动机的每个相生成具有经调制相信号的多相电动机供电信号。在该多相电动机供电信号的每个周期内定义一组时间窗口，其中，通过在每个时间窗口中延迟相关联的载波信号来修改单独选择的一组经调制相信号，从而生成经移位的多相电动机供电信号并提供高效的DC总线纹波减小。因此，例如可以在电动机系统中使用较小的滤波电容器/电容器组。披露了一种类似的多相发电机系统以及用于控制多相发电机系统的方法。

Description

用于多相电机的DC总线纹波消除
技术领域
本发明涉及比如多相电动机或多相发电机等多相电机，并且更具体地涉及用于在包括这类机器的系统中减小DC总线纹波的控制方法。
背景技术
近年来，越来越多的资源用于在许多技术领域中(特别是在汽车领域中)提供环境友好的解决方案。由于在车辆的推进范围、动力和可靠性方面取得的巨大进步，比如混合电动车辆、燃料电池动力车辆和电池动力车辆等电动车辆正在迅速普及，因此达到了减少世界上的原油消耗以及对有害污染物和温室气体的排放的长期目标。
传统的电动机系统由电源、具有滤波电容器的整流器(在AC馈电(交流馈电)的情况下)或仅由滤波电容器(在DC馈电(直流馈电)的情况下)、以及逆变器(电动机控制电路)构成。脉宽调制(PWM)技术长期以来用于改善功率转换设备的性能和可靠性，并且通常用于生成到电动车辆中的电动机的交流电。PWM方案用于调节逆变器输出的基波分量的幅度和频率，并且在这样做时，电流经由逆变器电路瞬时地馈送至电动机，然而，虽然电动机的(多个)绕组中存在的电感减慢了电流对电动机的冲击，但是电动机中的感应电流仍然会换流为来自馈电电路的瞬时电流，这将导致DC总线上出现较大纹波AC分量。如果使用相同的设置将电动机作为发电机操作、而将逆变器电路作为有源整流器操作，则也会出现类似的问题。
用于处理DC总线上通常有害的电压纹波的传统方法是引入配置为吸收DC总线纹波的非常大的电容器。然而，目前可用的具有所需电容的电容器与比如成本、尺寸和可靠性等许多问题相关联。通常必须使用电解电容器，这些电解电容器会增大系统的重量/尺寸、严重降低系统的整体寿命并且在汽车应用中存在的环境条件下展现出较差的性能，从而导致需要整个系统具有复杂且通常昂贵的适应性。
为此，已经进行了一些尝试来减轻前面讨论的一些问题。例如，US8,115,433传授了一种用于使用具有两组绕组的电动机的相移载波信号来控制功率逆变器的系统和方法，该相移基于开关频率(载波频率)。每一组绕组由两个独立的电动机信号进行馈电，该两个独立的电动机信号由两个分开且相移的载波信号进行调制。在US 8,373,372中披露了一种类似的系统和方法，即，其需要具有两组绕组的电动机。因此，这类系统需要两个独立的驱动系统，换言之，需要两倍的部件和连接点，这增大了系统的成本和复杂度。
因此，特别是在汽车应用中，需要一种用于电动机/发电机控制的改进方法和系统，以便满足对电动车辆的成本要求、尺寸要求和寿命要求。尽管上述讨论集中在电动车辆上，但在许多其他类型的旋转电机应用中也会遇到类似的情况和问题。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种多相电动机/发电机系统以及一种用于控制多相电动机/发电机系统的方法，该方法减轻了目前已知系统的上述缺点中的全部或至少一些缺点。
此目的借助于所附权利要求中限定的电动机/发电机控制方法和系统来实现。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制多相电动机系统的方法，该多相电动机系统包括耦合到具有2N+1个相的多相电动机的逆变器电路，其中，N是大于0的正整数。该方法包括：
利用多个调制信号对多个载波信号进行调制，以便为2N+1个相中的每一个相生成包括经调制相信号的多相电动机供电信号；
在该多相电动机供电信号的每个周期内定义一组时间窗口；
在每个时间窗口中，通过向用于经调制的所选择的一组经调制相信号的载波信号添加时间偏移来修改该所选择的一组经调制信号，从而生成经移位的多相电动机供电信号；
其中，所述所选择的组包括所述一组时间窗口中至少两个不同时间窗口中的不同的经调制相信号；
将该经移位的多相电动机供电信号供应给该多相电动机。
由此，提出了一种用于高效地减小多相电动机系统中的DC总线纹波的方法。本发明的方法减少了对较大且通常是电解的电容器的需求，转化成减小的系统尺寸、增加的系统鲁棒性和更低的成本。此外，由于开关和馈电电路系统的电流幅值减小，因此能量损失减少。
本发明的方法涉及控制多相电机，比如，具有奇数个相、但至少为三个相的多相电动机，即，三相电动机、五相电动机、七相电动机等。因此，术语“多相电动机供电信号”可以例如被理解为三相供电信号、五相供电信号、七相供电信号等，这取决于N＝1、2还是3等。例如，三相供电信号可以解释为经由承载在时间上偏移三分之一周期的交流电压的至少三个导体供应的信号，类似地，五相供电信号是经由承载“相邻”相之间在时间上偏移五分之一周期的交流电压的至少五个导体供应的信号，依此类推。然而，认为相关技术领域的技术人员很容易理解多相AC信号的基本原理，并且为了简洁起见，将不再进一步讨论。例如，认为可以理解经调制相信号(也可以称为相电流)中的任何一个信号的周期时间与所产生的多相电动机供电信号或调制信号相同。
逆变器电路可以配置为提供用于控制多相AC电动机的经调制信号(经调制相信号)，但是其可以替代性地配置为提供适合于控制BLDC电动机的经调制信号。可以使用任何已知的用于供应经调制信号的方法；优选地，利用本领域公知的脉宽调制(PWM)来控制电动机。调制可以例如由控制器控制。为了简洁起见，未详细描述与系统的信号发送、电流感测、电动机控制和其他功能方面相关的传统技术，然而，相关领域的普通技术人员将很容易认识到可以在没有一个或多个具体细节的情况下实践本发明。
本发明人认识到，通过“顺序地”向所选择的一组载波信号(各自与电动机的特定相相关联)添加相对较小的时间偏移，并且更具体地通过贯穿供电信号的每个周期顺序地执行此“选择”，可以减小馈电两端的较大电压变化。在本文的上下文中，组被解释为一个或多个信号。更详细地，应认识到，不希望的DC总线纹波的主导频率分量通常是载波频率的两倍(载波频率的2次谐波或第一谐波(overtone))，或者如果系统的谐振频率接近载波频率，则主导频率分量为谐振频率。
载波频率(或开关频率)是用于在逆变器电路中进行信号调制的载波的频率，并且系统的谐振频率取决于滤波器(DC总线电容器)的电容和将DC总线电容器连接到DC电源和逆变器电路的电缆/布线的电感。
因此，对多个载波信号进行调制可以被理解为利用两组不同的调制信号对两个不同的载波信号(相对于彼此进行相移)进行调制，以便形成经移位的多相电动机供电信号。
因此，通过向用于对供应给电动机的不同相的相电流信号进行调制的载波信号中的一个或多个载波信号添加时间偏移，可以减小DC总线纹波。特别是在此时间偏移对应于DC总线纹波的180°主导频率分量时，该时间偏移在许多情况下将转换为与90°载波频率(180°的二次谐波)相对应的时间偏移。
此外，本发明人进一步认识到，在具有奇数个相的系统中，因为没有双组绕组，电动机无法被分成不断以单独且偏移的载波信号进行供应的两个半件，因此DC纹波问题会变得更加复杂。换言之，在非对称电机(即具有3、5、7或9个相并且仅有一组相绕组的电机)中，无法对载波信号中的一个或多个载波信号施加恒定的时间偏移。因此，通过为多相电动机供电信号(由2N+1个经调制相信号形成)的每个周期提供一组时间窗口，并且针对每个单独的时间窗口选择或形成向其添加时间偏移的一组载波信号或其组合，可以实现许多有利效果，比如DC总线纹波减小(在最大电压纹波和电流纹波的RMS值两方面)、半导体的电流幅值减小以及馈电/供电电路的电流减小。因此，可以说在每个时间窗口中单独选定所选择的一组载波信号以便减小DC总线纹波。由于所添加的时间偏移被施加到用于生成调制信号或相电流的载波信号，所以这些信号不受偏移的影响，因此术语经移位的多相电动机供电信号可以被理解为经修改或经调节的多相电动机供电信号，因为其只是在时间上偏移的中间PWM信号(用于控制逆变器电路中的开关的栅极)。此外，所添加的时间偏移与调制信号/电动机供电信号的周期时间相比相对较小，μs对ms，因此电动机的整体操作相对不受影响。
术语时间窗口可以理解为在多相电动机供电信号的每个周期内提供的一组预定义范围。例如，在三相电动机供电信号中提供六个时间窗口将产生0°与60°之间的时间窗口、60°与120°之间的时间窗口、120°与180°之间的时间窗口，依此类推。然而，第一时间窗口不需要从0°处开始，可以选择任何起始点(电动机起始位置)，例如37°，然后根据先前的示例，将具有37°与97°之间的时间窗口、97°与157°之间的时间窗口、以及157°与217°之间的时间窗口，依此类推。
作为示例，修改所选择的一组经调制相信号的步骤：
针对每个时间窗口，参考(多个)其他/剩余载波信号向一个或多个载波信号添加时间偏移，并且在后一时间窗口中，参考(多个)其他/剩余载波信号向载波信号中不同于在前一时间窗口中经受时间偏移的经调制信号的一个或多个载波信号添加时间偏移。因此，针对每个时间窗口，执行对要经受时间偏移的载波信号的单独评估。
例如，在三相电动机系统中，经调制相信号被表示为A、B和C。在时间窗口之一中，本发明的方法包括通过向用于生成A的载波信号添加时间偏移来修改A。这将导致用于生成A的载波信号与用于生成B(和C)的载波信号之间的相差。接下来，在第二时间窗口中，参考用于生成A和B的载波信号向用于生成C的载波信号添加时间偏移。
根据本发明的实施例，修改所选择的一组经调制相信号的步骤在对该多个载波信号进行调制期间被执行。换言之，针对每个时间窗口，借助于参考用于生成剩余其他经调制信号的载波信号进行偏移(例如，偏移90°)的载波信号来生成经调制信号中的一个或多个信号。使用这两个偏移载波信号对供电电压进行以下调制将生成经移位的多相电动机供电信号。
进一步地，根据本发明的另一实施例，该一组时间窗口包括至少2(2N+1)个时间窗口。换言之，如果多相电动机是五相电动机，则该方法包括在电动机供电信号的每个周期内提供至少10个时间窗的步骤，或者在为七相电动机的情况下，该方法包括提供14个时间窗口的步骤，依此类推。此外，每个时间窗口可以例如选择在多相信号的每个过零点处(即，在经调制信号/相电流之一的电流幅值为0安培的时刻)开始。
更进一步地并且根据本发明的另一实施例，在每个时间窗口中选定该所选择的一组经调制相信号，使得在所述每个时间窗口中的预定义时刻该所选择的组的总电流值与剩余经调制相信号的总电流值之和处于满负载电动机电流的±15％的范围内。
换言之，如果满负载电动机电流为25A，则形成每个经调制信号组以使得所形成组的总电流值与剩余经调制信号的总电流值之和处于-3,75A到+3,75A、且优选地尽可能接近0A的范围内。可以任意选择预定义时刻，但是如果每个时间窗口在多相信号的每个过零点处开始，则该预定义时刻可以例如在经调制信号之一的过零点期间。在本文的上下文中，满负载电动机电流是电机通过满足(供应或消耗)满负载条件可以安全地汲取/供应的最大电流。
进一步地，根据本发明的又另一实施例，所选择的一组经调制信号包括N或N+1个经调制信号。
例如，在三相电动机中，这将意味着：一个经调制相信号是参考剩余的两个经调制相信号来修改的，或者两个经调制相信号是参考剩余的一个经调制相信号来修改的。类似地，在五相电动机中，其将导致：两个信号参考剩余三个信号来修改，或者三个信号参考剩余两个信号来修改。如在本上下文中提到的，修改被理解为向用于生成这个或这些经调制相信号的载波信号添加时间偏移(或相移)。
因此，针对具有信号向量[A，B，C]＝k*[1，-1/2，-1/2]的三相系统，如果所选择的一组经调制信号包括N(＝1)个经调制信号，则合适地所选择的组包括A，并且剩余的经调制信号因此是B和C。类似地，如果所选择的一组经调制信号包括N+1(＝2)个调制信号，则合适地所选择的组包括B和C，并且剩余的经调制信号因此是A。
更进一步地，根据本发明的又另一实施例，该多相电动机系统进一步包括连接到该逆变器电路的DC电源和通过导体与该DC电源和该逆变器电路并联连接的DC总线滤波器，其中，所述方法进一步包括：
通过测量该系统的谐振频率来确定该系统的谐振频率，所述谐振频率取决于所述DC总线滤波器的电容和所述导体的电感。
“DC电源”可以包括提供直流电而无需整流设备的任何设备，比如电池、燃料电池单元、燃料电池单元堆、太阳能电池单元、超级电池单元电容器或可用作电压电源的任何其他等效解决方案。可替代地，DC电源还可以包括交流(AC)电源和整流器电路。整流器电路可以是半波整流器，但优选地是全波整流器，并且该电路可以使用比如结型二极管、肖特基二极管、晶闸管等半导体器件以本领域已知的各种方式进行布置。DC电源用于向逆变器电路提供供电电压。
滤波器优选地与DC电源并联(例如，与电池和逆变器电路并联)连接。因此，如果使用下层的AC电源，则滤波器可以与整流器电路并联连接。滤波器可以是任何类型的电容器，通常被称为DC总线滤波器或DC总线电容器，并且通常需要对DC总线电压线路上通常有害的电压纹波进行滤波或吸收。滤波器可以是单个滤波电容器；然而，可以使用提供单个滤波电容器功能的任何滤波电容器电路。
可以例如通过跨馈电电路发送脉冲并且然后从所产生的振荡波形导出频率值来测量系统的谐振频率。时间偏移可以对应于该逆变器电路的90°载波频率或该系统的180°谐振频率，这取决于DC总线滤波器两端的电压/电流纹波的主导频率分量分别是载波频率的二次谐波还是系统的谐振频率。这是为了使控制方法更加通用和动态，并且因此适用于系统的谐振频率是DC总线纹波的主导频率分量的情况，该情况是DC总线滤波器的电容相对较低时的情况。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制多相发电机系统的方法，该多相发电机系统包括耦合到具有2N+1个相的多相发电机的有源整流器电路，其中，N是大于0的正整数。该方法包括：
将多相发电机信号从该发电机提供到该有源整流器电路，其中，该多相发电机信号包括2N+1个相信号；
在该多相发电机信号的每个周期内提供一组时间窗口；
将多个载波信号与所述2N+1个相信号中的每个相信号进行比较，以生成经整流的DC输出，其中，每个载波信号与特定的相信号相关联；
在每个时间窗口中，向所选择的一组载波信号添加时间偏移，从而生成经移位的整流DC输出；
其中，所述所选择的组包括所述一组时间窗口中至少两个不同时间窗口中的不同载波信号；
将该经移位的整流DC输出供应给DC负载。
更详细地，本发明的这个方面依赖于相同的发明构思并且利用相同的原理，不同之处在于替代地将多相电动机作为多相发电机进行操作，以便例如对电池进行充电，参见混合电动车辆。电路设置与本发明的前一方面相同，但是逆变器电路是用作有源整流器(同步整流器)，即，包括比如晶体管等有源部件的整流器。通过使用同步整流器，可以为电流打开返回朝向电压电源的路径，以便例如打开可再生制动系统。
对于本发明的这个方面，存在如本发明的前面讨论的第一方面中的类似优点和优选特征。
进一步地并且根据本发明的另一方面，提供了一种电动机系统，该电动机系统包括DC电源和通过导体与该DC电源并联连接的DC总线滤波器，所述导体具有电感。该系统进一步具有：电动机，该电动机具有2N+1个相，其中，N是大于0的正整数；以及逆变器电路，连接在该滤波器与该电动机之间，所述逆变器电路包括多个开关。此外，该电动机系统包括控制器，该控制器配置为：
利用多个调制信号对多个载波信号进行调制，以便为2N+1个相中的每一个相生成包括经调制相信号的多相电动机供电信号；
在该多相电动机供电信号的每个周期内定义一组时间窗口；
在每个时间窗口中，通过向用于经调制的所选择的一组经调制相信号的载波信号添加时间偏移来修改该所选择的一组经调制信号，从而生成经移位的多相电动机供电信号；
其中，所述所选择的组包括所述一组时间窗口中至少两个不同时间窗口中的不同经调制相信号；
生成用于该多个开关的控制信号，以便将该经移位的多相电动机供电信号供应给该多相电动机。
由此，提出了一种电动机系统系统，该电动机系统具有DC总线两端减小的电压和电流纹波。因此，与现有已知系统相比，本发明的电动机系统更具成本效益且更鲁棒，因为降低了对DC总线滤波器/电容器的要求。此外，本发明的系统比现有已知的解决方案更高效，因为损失由于开关和馈电电路系统的电流幅值的减小而减少了。
对于本发明的这个方面，存在如本发明的前面讨论的方面中的类似优点和优选特征，并且反之亦然。
在本发明的实施例中，该控制器进一步配置为：
在每个时间窗口中形成所述所选择的一组经调制信号，使得在所述每个时间窗口中的预定义时刻该所选择的组的总电流值与剩余经调制信号的总电流值之和处于满负载电动机电流的±15％的范围内。
更进一步地并且根据本发明的另一方面，提供了一种发电机系统，该发电机系统包括DC负载和通过导体与该负载并联连接的DC总线滤波器，所述导体具有电感。该发电机系统进一步具有：多相发电机，该多相发电机具有2N+1个相，其中，N是大于0的正整数；以及有源整流器电路，连接在该滤波器与该发电机之间，所述有源整流器电路包括多个开关，其中，该多相发电机配置为向该有源整流器电路提供多相发电机信号，所述多相发电机信号包括2N+1个相信号。此外，该发电机系统包括控制器，该控制器配置为：
在该多相发电机信号的每个周期内提供一组时间窗口；
将多个载波信号与所述2N+1个相信号中的每个相信号进行比较，以生成经整流的DC输出，其中，每个载波信号与特定的相信号相关联；
在每个时间窗口中，向所选择的一组载波信号添加时间偏移，从而生成经移位的整流DC输出；
其中，所述所选择的组包括所述一组时间窗口中至少两个不同时间窗口中的不同载波信号；
生成用于该多个开关的控制信号，以便将该经移位的整流DC输出供应给该DC负载。
对于本发明的这个方面，存在如本发明的前面讨论的方面中的类似优点和优选特征。
下面将参照下文描述的实施例进一步阐明本发明的这些和其他特征。
附图说明
出于例示的目的，下面将参照附图中示出的实施例更详细地描述本发明，在附图中：
图1展示了根据本发明的实施例的多相电动机系统的示意性电路图；
图2A是示出了根据本发明的实施例的多相电动机系统中的五相电动机的电流随时间变化的曲线图；
图2B是示出了传统多相电动机系统中的五相电动机的电流随时间变化的曲线图；
图3展示了示出了对两个载波信号的调制进行比较以及所产生的PWM输出的两个曲线图。
图4是根据本发明的实施例的用于控制多相电机的方法的示意性流程图表示。
具体实施方式
在以下详细描述中，将描述本发明的优选实施例。然而，应该理解，除非特别指出任何其他内容，否则不同实施例的特征在实施例之间是可互换的、并且可以以不同方式进行组合。尽管在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的更透彻的理解，但是对于本领域技术人员来说清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的结构或功能，以免模糊本发明。
在图1中，展示了电机控制系统1的示意性图示。即使以下描述将主要参考多相电动机，本领域技术人员也很容易理解如何将相同的原理应用于多相发电机。
该系统包括DC电源2，通过该电源经由导体/导线将供电电压提供给逆变器电路3。导体由串联电感6和电阻5表示。进一步地，滤波器8并联连接在逆变器电路3与DC馈电电路7之间。在此实施例中，滤波器8展示为单个电容器，然而，本领域技术人员很容易理解的是，可以在本发明的各个实施例中使用提供相同功能的任何滤波器电路或电容器组。
逆变器电路3包括以半桥配置布置的10个开关11至20，五相电动机9的五个相中的每一个相一个开关。虽然利用n沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)展示了此特定实施例，但应理解这仅用于说明性目的。因此，本发明在此方面不受限制。替代地，可以使用提供与示例性实施例中所展示的开关相同功能的任何类型的开关元件或电路(例如，IGBT、绝缘栅双极型晶体管)。此外，开关可以包括以反向并联方式与晶体管连接的二极管(未示出)，以防止在晶体管的漏极到源极处出现任何反向电压。此外，采用半桥来控制电动机在本领域中是公知的，并且因为本领域技术人员将很容易理解如何在没有这些具体细节的情况下实施本发明，所以将不会就任何特定细节进行讨论
控制器10配置为操作逆变器电路3，以实现DC电源2与电动机9之间的期望电力流动并且与传统系统相比减小了电压纹波，如下面将描述的。控制器还可以被配置并且用于将电动机相电流、转子位置/速度、DC输出电压、和/或电动机速度或转矩命令的测量结果作为输入并用于执行电动机控制算法以生成一组多相调制信号。控制器优选地是微处理器、任何其他等效类型的计算设备，并且可以被实现为软件控制的处理器。然而，控制器可以替代地全部或部分地以硬件实现。
控制器10可以配置为通过将调制信号(正弦波)与载波信号进行比较并驱动每个开关11至20的输入栅极来执行脉宽调制。
在下文中，将部分地参考图2A和2B、且部分地参考图3来讨论控制器的操作。图2B展示了由经调制相信号A’、B’、C’、D’、E’形成的传统非移位多相(五相)电动机供电信号、以及跨滤波器8测量的所得DC总线纹波21a、21b。经调制信号被展示为随时间变化的电流信号，而DC总线纹波被展示为随时间变化的电压纹波。
控制器10配置为生成用于该多个开关11至20的控制信号，以便针对电动机9的五个相中的每一个相生成经调制相信号A、B、C、D、E。控制信号可以例如通过如图3所展示的脉宽调制产生，其中，利用调制信号(301，401)对载波信号(303，403)进行调制，从而产生用于驱动每个开关11至20的栅极的PWM信号，以便生成多相电动机供电/驱动信号。
进一步地，控制器10配置为在五相电动机供电信号的每个周期内提供一组时间窗口31至40。该组时间窗口31至40仅在一个任意选择的周期P中指示，以便最小化该附图的堵塞，然而，应理解的是，优选地连续施加此操作。
在每个时间窗口31至40中，控制器配置为通过在第一时间窗口31中向用于生成经调制相信号的载波信号(或者等效地通过使用已经“偏移”的载波信号来生成那些经调制信号)添加时间偏移来修改那些经调制信号中的至少两个信号。
例如，第一组可以包括信号C和D。因此，在第一时间窗口31中，向用于生成C和D的载波信号添加时间偏移。例如，参见图3的上部曲线图中的载波信号303，该信号相对于图3的下部曲线图中的载波信号403相移了时间偏移405。如果替代地要在第一时间窗口中修改其他剩余的经调制相信号(A、B和E)，即，如果这些经调制相信号将替代地形成第一组，则将实现类似或相同的结果。
接下来，在第二时间窗口32中，向与不同的一组经调制相信号(例如，A和B)相关联的一组载波信号添加时间偏移。所添加的时间偏移可以对应于系统的90°载波频率或180°谐振频率，这取决于操作模式或应用，并且可以例如通过将该时间偏移添加到用于形成所选择的组的经调制信号的载波而不是用于形成剩余经调制信号的载波来执行。
定义一组时间窗口的操作可以被理解为：定义每个周期应该包括的一组时间窗口，并且将该周期(即，2π＝360°)与该数(例如，10)相除，如在图2A的所展示示例中那样。这使得针对电动机供电信号的每个36°“步进”，开始新的时间窗口。或者，如果电动机由50Hz电动机信号驱动，则将以大约每2ms的间隔形成一个新的时间窗口。因此，在电动机的操作期间，控制器配置为在向电动机供应恒定频率为50Hz的信号的情况下每2ms向新选择的一组载波信号添加时间偏移。
这种通过添加时间偏移或“延迟”相关联载波信号来修改所选择的一组信号在每个时间窗口31至40中以类似方式执行，由此，生成所产生的经移位/修改/更改的五相电动机信号。然后将此经移位五相电动机供电信号供应给五相电动机9。
将图2A和图2B的五相电动机信号进行比较，可以看出，根据本发明的实施例，与非移位五相电动机供电信号(图2B)相比，系统中具有经移位五相电动机供电(图2A)的DC总线纹波具有减小的DC总线纹波21a。
此外，控制器10可以用于通过例如加载导体4来测量系统1的谐振频率。谐振频率将主要分别取决于导体4和滤波器8的电感值和电容值。因此，对于具有不同空间设置和应用的各种系统，导体/导线4将具有不同的长度，并且滤波器将具有不同的尺寸，从而导致不同的谐振频率，因此通过测量谐振频率，简化了安装并且实现了更动态的解决方案。可替代地，可以通过分别使用滤波器8和导体/导线4的已知电容值和电感值来计算或近似谐振频率从而预先确定系统1的谐振频率。可以通过本领域技术人员已知的各种已知公式或等式来确定谐振频率。
在每个时间窗口31至40中对哪些经调制信号A、B、C、D、E应该用于形成组(即，应该通过使用延迟或偏移的载波信号生成经调制信号中的哪些)的选择可以以如下文将例示的一些替代性方式来完成。
在一个实施例中，在每个时间窗口31至40中选择每个经调制信号组，使得在时间窗口31至40内的预定义时刻该所选择的组的总电流值与剩余经调制信号的总电流值的总和处于满负载电动机电流的±15％的范围内。
例如，在时间窗口34中，在预定义时刻(例如，由线52指示的时刻)，可以选定所选择的组包括信号A和B，其总电流值大约为23安培。剩余信号C、D和E的总电流值大约为-24安培，由此总电流值之和为-1安培，并且如果假设满负载电动机电流为20安培，则很好地在期望范围[-3A，3A]内。因此，选择通过向用于生成经调制相信号A和B的载波信号添加时间偏移来修改这两个经调制相信号，以便减小DC总线纹波。因此，这些信号(A和B)然后与延迟或偏移的载波信号相关联直到该时间窗口(由线53指示)结束，并且选定要修改的新的一组经调制相信号。类似地，可以向与C、D和E相关联的载波信号添加时间偏移，以产生相同的结果。然而，如本领域技术人员所认识到的，存在用于形成所选择的组的、将落入总电流值之和的期望范围内的经调制信号的其他组合。因此，替代性条件可以是在每个时间窗口中选择每个经调制信号组，使得所选择的组的总电流值与剩余经调制信号的总电流值之和尽可能地接近0安培。
另一示例是将每个时间窗口31至40布置为在经调制信号之一的过零点处开始，如图2A所展示的。并且，在该时刻(过零点，参见例如线51)，忽略零值信号D并选择具有最高电流幅值的信号C、E之一和具有两个最低电流幅值的信号A、B之一，并且选择包括这两个所选择的信号(即，A+C、A+E、B+C或B+E(以及可选地零值信号D))的组并向与所选择的组相关联的载波信号添加时间偏移。
下文中的表1展示了可以如何在每个时间窗口31至40中顺序地施加“修改”的示例，其中，“X”指示经调制信号(相电流)被修改(即，向与其相关联的载波施加时间偏移)。施加到载波的时间偏移可以对应于90°的载波频率(例如，在22kHz载波频率下为22μs)或180°的系统谐振频率。然而，等效的解决方案将是替代地修改标记有“-”的经调制信号，并且保留“X”信号不进行修改。每个时间窗口的“长度”不一定必须相等，而是可以具有不同的长度。
表1.
Figure BDA0002062445120000141
又一个示例(适合于五相电动机系统)将考虑针对每个时刻，每个相A B C D E具有相电流值，该相电流值可以表示为I＝[IA，IB，IC，ID，IE]，并且其参考电压可以表示为U＝[UA，UB，UC，UD，UE]。然而，可以计算参考电压以定义占空比D＝[DA，DB，DC，DD，DE]。
在上部晶体管11、13、15、17、19导通期间，对于每个相A、B、C、D、E，对馈电电路7中流动的电流的贡献将近似等于相电流。这里，“上部晶体管”被认为是连接在DC电源2的正极与电动机9之间的晶体管。接下来，在下部晶体管12、14、16、18、20导通期间，对于每个相A、B、C、D、E，对馈电电路7中的电流的贡献将大约为0安培。这里，“下部晶体管”被认为是连接在DC电源2的负极与电动机9之间的晶体管。因此，这使得相A的脉冲的电流幅值为IA，并且其占空比为DA。
通过使用傅立叶级数展开(针对这5个相A、B、C、D、E的展开)，针对各种谐波的电流可以表达为：
Figure BDA0002062445120000142
其中，x对应于相A、B、C、D和E。进一步地，如果相电流相对于开关频率(载波频率)偏移了时间偏移，则相电流的相根据以下等式进行变化：
Figure BDA0002062445120000143
其中，ax对应于所添加的相x相对于开关频率的偏移。进一步地，通过提取此等式的实部和虚部得出以下等式：
Figure BDA0002062445120000151
Figure BDA0002062445120000152
在此背景下，可以通过基于每个经调制信号的占空比(Dx)和电流(Ix)来计算第一谐波，从而选择对要修改的一组经调制信号的选择。此信息(占空比和电流值)可易于由控制器10访问，并且可通过该控制器快速计算出傅立叶级数。基于所提取的值，选择通过向用于生成具有最高值的经调制信号(相电流)和具有最低值的经调制信号的载波信号添加时间偏移而被修改的这两个经调制信号来形成该组。所添加的偏移可以例如对应于90°的开关频率(载波频率)。
图4是展示了根据本发明的实施例的方法的流程图。假设根据前面所讨论的实施例中任一实施例的电动机系统，比如图1中所展示的电动机系统。该方法包括调制S101，利用多个调制信号对多个载波信号进行调制，以便为该电动机的2N+1个相中的每一个相生成包括经调制相信号的多相电动机供电信号。
接着，存在针对该多相电动机供电信号的每个周期提供或定义S102一组时间窗口的步骤。换言之，每个周期被分成一组顺序排列的时间范围。例如，在包括五相电动机的系统中，电动机供电信号的每个周期可以例如被分成各自对应于36°的十个时间窗口。
进一步地，通过以下方式来修改102b所选择的一组经调制相信号：在第一时间窗口中向用于生成这些所选择的经调制相信号的(多个)载波信号添加时间偏移，并在第二时间窗口中向与所选择的一组不同经调制信号相关联的一组不同载波信号添加该时间偏移，该时间偏移被施加以便减小DC总线纹波。此外，针对每个时间窗口单独地选择这些组，由此第一组不同于第二组。因此，将生成时移的多相电动机供电信号。
考虑在每个时间窗口中定义一组时间窗口并修改所选择的一组信号的步骤的替代性方式将是从时域角度对其进行考虑。例如，如果五相电动机供电信号具有50Hz的基频，则周期时间相应地为20ms。接下来，在某一时刻，选择一组经调制信号(相电流)并通过向与所选择的一组经调制信号相关联的载波信号添加持续2ms的偏移来修改该组经调制信号，在该持续时间之后，选择新的一组经调制信号(相电流)，其中，向与该新的组相关联的载波信号添加持续2ms的时间偏移，依此类推。换言之，时间窗口可以被理解为新信号/相电流选择之间的间隔。
最后，将时移的多相电动机供电信号供应给电动机S103。
现在已经参考特定实施例描述了本发明。然而，电动机控制系统和方法的若干变型是可行的。例如，控制方法可以类似地应用于多相发电机。进一步地，控制器可以配置为以多种方式并利用提供相同功能的可互换部件对信号进行调制。此类和其他明显的修改必定被认为在如所附权利要求限定的本发明的范围内。应注意的是，上述实施例展示而不限制本发明，并且本领域技术人员在不背离所附权利要求的范围的情况下能够设计许多替代性实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记都不应解释为对权利要求进行限制。词语“包括(comprising)”不排除存在除权利要求中列出的元件或步骤之外的其他元件或步骤。在元件前的词语“一个(a)”或“一种(an)”并不排除存在多个此类元件。

Claims (13)

1.一种用于控制多相电动机系统的方法，该多相电动机系统包括耦合到具有2N+1个相的多相电动机的逆变器电路，其中，N是大于0的正整数，所述方法包括：
利用多个调制信号对多个载波信号进行调制，以便为2N+1个相中的每一个相生成包括经调制相信号的多相电动机供电信号；
在该多相电动机供电信号的每个周期内定义一组时间窗口；
在每个时间窗口中，通过向用于生成所选择的一组经调制相信号的载波信号添加时间偏移来修改该所选择的一组经调制相信号，从而生成经移位的多相电动机供电信号；
其中，所述所选择的组包括所述一组时间窗口中至少两个不同时间窗口中的不同经调制相信号；
将该经移位多相电动机供电信号供应给该多相电动机。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修改所选择的一组经调制相信号的步骤在对该多个载波信号进行调制期间被执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述一组时间窗口包括至少两倍于2N+1个的时间窗口。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在每个时间窗口中选定所述所选择的一组经调制相信号，使得在所述每个时间窗口中的预定义时刻该所选择的组的总电流值与剩余经调制相信号的总电流值之和处于满负载电动机电流的±15％的范围内。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述所选择的一组经调制相信号包括N或N+1个经调制相信号。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该多相电动机系统进一步包括：
与该逆变器电路并联连接的DC总线滤波器，和
通过导体与该DC总线滤波器并联连接的DC电源，其中，所述方法进一步包括：
通过测量该系统的谐振频率来确定该系统的谐振频率，所述谐振频率取决于所述DC总线滤波器的电容和所述导体的电感。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述时间偏移对应于该逆变器电路的90°载波频率或该系统的180°谐振频率，这取决于该DC总线滤波器两端的电压/电流纹波的主导频率分量分别是该载波频率的二次谐波还是该系统的谐振频率。
8.一种用于控制多相发电机系统的方法，该多相发电机系统包括耦合到具有2N+1个相的多相发电机的有源整流器电路，其中，N是大于0的正整数，所述方法包括：
将多相发电机信号从该发电机提供到该有源整流器电路，其中，该多相发电机信号包括2N+1个相信号；
在该多相发电机信号的每个周期内提供一组时间窗口；
将多个载波信号与所述2N+1个相信号中的每个相信号进行比较，以生成经整流的DC输出，其中，每个载波信号与特定的相信号相关联；
在每个时间窗口中，向所选择的一组载波信号添加时间偏移，从而生成经移位的整流DC输出；
其中，所述所选择的组包括所述一组时间窗口中至少两个不同时间窗口中的不同载波信号；
将该经移位的整流DC输出供应给DC负载。
9.一种电动机系统，包括：
DC电源和通过导体与该DC电源并联连接的DC总线滤波器，所述导体具有电感，
电动机，该电动机具有2N+1个相，其中，N是大于0的正整数；
逆变器电路，连接在该DC总线滤波器与该电动机之间，所述逆变器电路包括多个开关；
控制器，该控制器配置为：
利用多个调制信号对多个载波信号进行调制，以便为2N+1个相中的每一个相生成包括经调制相信号的多相电动机供电信号；
在该多相电动机供电信号的每个周期内定义一组时间窗口；
在每个时间窗口中，通过向用于经调制的所选择的一组经调制相信号的载波信号添加时间偏移来修改该所选择的一组经调制相信号，从而生成经移位的多相电动机供电信号；
其中，所述所选择的组包括所述一组时间窗口中至少两个不同时间窗口中的不同经调制相信号；
生成用于该多个开关的控制信号，以便将该经移位的多相电动机供电信号供应给该多相电动机。
10.根据权利要求9所述的电动机系统，其中，所述控制器进一步配置为：
在每个时间窗口中形成所述所选择的一组经调制信号，使得在所述每个时间窗口中的预定义时刻该所选择的组的总电流值与剩余经调制信号的总电流值之和处于满负载电动机电流的±15％的范围内。
11.根据权利要求9或10所述的电动机系统，其中，所述控制器进一步配置为确定该系统的谐振频率，所述谐振频率取决于所述DC总线滤波器的电容和所述导体的电感。
12.根据权利要求11所述的电动机系统，其中，所述时间偏移对应于该逆变器电路的90°载波频率或该系统的180°谐振频率，这取决于该DC总线滤波器两端的电压/电流纹波的主导频率分量分别是该载波频率的二次谐波还是该系统的谐振频率。
13.一种发电机系统，包括：
DC负载和通过导体与该DC负载并联连接的DC总线滤波器，所述导体具有电感；
多相发电机，该多相发电机具有2N+1个相，其中，N是大于0的正整数；
有源整流器电路，连接在该DC总线滤波器与该发电机之间，所述有源整流器电路包括多个开关，
其中，所述多相发电机配置为向该有源整流器电路提供多相发电机信号，所述多相发电机信号包括2N+1个相信号；
控制器，该控制器配置为：
在该多相发电机信号的每个周期内提供一组时间窗口；
将多个载波信号与所述2N+1个相信号中的每个相信号进行比较，以生成经整流的DC输出，其中，每个载波信号与特定的相信号相关联；
在每个时间窗口中，向所选择的一组载波信号添加时间偏移，从而生成经移位的整流DC输出；
其中，所述所选择的组包括所述一组时间窗口中至少两个不同时间窗口中的不同载波信号；
生成用于该多个开关的控制信号，以便将该经移位的整流DC输出供应给该DC负载。
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