CN110549869A - 旋转驱动系统、逆变器控制方法及相关计算机程序 - Google Patents

旋转驱动系统、逆变器控制方法及相关计算机程序 Download PDF

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Abstract

一种旋转驱动系统(100)包括：电压源(102)；电动机(104)，其包括：具有独立相(a、b、c)的定子，和转子(106)；逆变器(108)，其设计为将每相(a、b、c)连接到电压源(102)，从而产生相电流；以及用于控制逆变器(108)的装置(112)；所述旋转驱动系统(100)的特征在于，控制装置(112)包括：单元(114)，其用于确定相电流的基频是否低于频率阈值，所述阈值等于至多100Hz；以及单元(118)，其用于产生命令，所述命令被配置为使得，当基频被确定为低于频率阈值时，所述命令导致相电流中出现单极分量。

Description

旋转驱动系统、逆变器控制方法及相关计算机程序
本申请是申请日为2014年12月22日，申请号为201410858317.9，发明名称为“旋转驱动系统、逆变器控制方法及相关计算机程序”的发明申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种旋转驱动系统、逆变器(inverter)控制方法及相关计算机程序。
背景技术
一种已知的实施方式是使用下述类型的旋转驱动系统，其包括：
-电压源，
-电动机，其包括：
-定子，其具有独立相位，
-转子，
-逆变器，其设计成将每一相连接到电压源，以产生相电流，以及
-装置，其用于控制逆变器。
逆变器通常包括用于形成相电流的开关，这些开关使用例如半导体技术。
在正常操作中，电动机的相电流通常是交流的。因此，每个开关交替第一开关相位和第二相位，第一开关相位用于产生在所讨论的相位中的相电流，在第二相位中其保持开的状态。在第一个相位中，开关发热，而热在第二相位期间被散发。当转子以不是太慢的速度旋转时，这两个相位之间交替的频率足以使开关不发热太多，因为电时间常数大于热时间常数。因此，相电流的变化将产生结温的变化，其峰值可以由开关来处理。
与此相反，当转子被卡住或者以非常缓慢的速度旋转时，则相电流更接近于直流电流，并且开关继而保持在第一相位。在最坏的情况下，相电流等于峰值电流(最大电流)。然而，相电流越高，发热越强。此外，由于电流与扭矩同时增加，当必须由电动机提供高扭矩时，这个问题会更加严重。例如当试图保持车辆在一座小山上时，就会发生这种情况。扭矩继而最大化，而速度为零或非常低。
上述问题已经存在解决方案。
例如，可以减少斩波(chopping)频率(以及因此减少开关的开关频率)，以减少开关损耗。由于开关具有较低的损耗，它可以承受高电流。此解决方案具有有时产生高噪声的缺点。此外，大多数的损耗是传导损耗，使得增益是低的。
另一种解决方案是降低导致扭矩减小的峰值电流，这可能是在一定时间后，以保护开关。扭矩的减小可能导致平衡位置的改变。这种具有较低电流的新的平衡位置允许最大扭矩。然而这种解决方案是不能接受的，因为它不容许扭矩和车辆的位置被控制。
因此，可能希望找到另一种解决方案，用以限制逆变器内的发热过程。
发明内容
为了至少部分地解决上述问题，提供上述类型的旋转驱动系统，其特征在于控制装置包括：
-用于确定相电流的基频是否低于频率阈值的单元，该频率阈值至多等于100Hz，
-用于产生命令的单元，其配置为使得当基频被确定为低于频率阈值时，所述命令导致在相电流中出现单极(homopolar)分量。
任选地，单极分量是谐波。
还任选地，单极分量是三次谐波。
还任选地，单极分量的峰值等于相电流的非单极分量的峰值的预定部分。
还任选地，单极分量的峰值等于相电流的非单极分量的峰值的倍。
还任选地，控制装置还包括用于确定扭矩设定点(setpoint)是否大于扭矩阈值的单元，该扭矩阈值等于至少100N，并且其中用于产生指令的单元被配置为使得当基频被确定为低于频率阈值时并且当扭矩设定点被确定为高于所述扭矩阈值时，使得该命令导致电机的相位中出现单极电流。
本发明还提供一种逆变器的控制方法，该逆变器设计为将电动机定子的每个相连接到直流电压源，相位是独立的，该方法的特征在于，其包括：
-判断相电流的基频是否低于频率阈值，该阈值等于至多100Hz，
-当基频被确定为低于频率阈值时，产生导致相电流中出现单极分量的命令。
还提供了一种包括指令的计算机程序，当其在计算机上执行时，导致计算机实施根据本发明方法的步骤。
附图说明
现在将参考所附附图描述本发明的一个示例性实施例，其中：
图1是根据本发明的旋转驱动系统的示意图，
图2是用于控制图1中系统的逆变器的方法的框图，
图3示出了说明相电流分量的曲线，以及
图4示出了说明在相电流中增加单极分量的效果的曲线。
具体实施方式
参考图1，现在将描述实施本发明的旋转驱动系统100。
旋转驱动系统100首先包括电压源102，其在所述示例中设计为相对于参考电势M(电接地)提供直流电压V。
旋转驱动系统100还包括电动机104。如其本身是已知的，电动机104包括定子(未示出)和转子106，其设计成相对于定子绕旋转轴A以速度Ω旋转并提供电磁扭矩。定子包括多相，在所述示例中为三相，由参考标记a、b和c描述。相a、b、c各自具有两个端子。此外，相a、b、c是独立的，换句话说，它们没有由它们的端子之一连接到公共点上，通常被称为“中性(neutral)”。相a、b、c被设计成分别传导表示为ia，ib和ic的相电流。
旋转驱动系统100还包括设计成将电动机104的各相a、b、c连接到直流电压源102的逆变器108。逆变器108包括多个臂，所述臂的一个用于相a、b、c的一个端子。因此，在所述示例中，逆变器108包括六个臂。每个臂被设计用来连接端子，通过端子与电压源102的电压V相关联，或是与到电压源102的接地M相关联。每个臂从而包括配置为串联的两个控制开关，并且在它们的中间连接到相关联的端子，而该臂的两端分别连接到电压V和电接地M。逆变器108从而设计为当所述讨论的相的两端都连接到相同的点(V或M)时，施加给每相a、b、c：电压+V，其反向电压-V，或是零电压。开关是例如具有绝缘栅的双极晶体管，也由缩写IGBT(“绝缘栅双极晶体管”)表示。
旋转驱动系统100还包括传感器110，其设计为测量的转子106相对于定子的转速Ω。
旋转驱动系统100还包括用于控制逆变器108的装置112。在所述示例中，控制设备112被设计为提供命令给逆变器108作为相对于定子的转子106转速Ω和转速设定点Ω*的函数。速度设定点Ω*是例如当旋转驱动系统100在机动车辆中实施时从速度调节器接收。逆变器108的控制通常对应于用于开/关逆变器108的臂的开关的非常高频的命令。控制装置112例如采取处理器的形式。在这种情况下，下文详细描述的控制装置112的单元，例如以由处理器执行的计算机程序的形式和/或处理器的专用电子电路形式来实施。
控制装置112首先包括单元114，其用于确定相电流的基频是否低于频率阈值，该阈值等于至多100Hz，优选地50Hz的最小值。在所述示例中，相电流的基频是从转子106的转速Ω确定的。事实上，在电动机中，经常发生几次绕轴线A的相位交替(则电动机包括多个极)，以获得转子106旋转的电频率和机械频率之间的缩减(de-multiplication)因子。因此，相电流的基频等于转子106的旋转频率乘以所述缩减因子。
控制装置112还包括单元116，其用于基于速度Ω和速度设定点Ω*来确定电动机104的电磁扭矩设定点C*。
控制装置112还包括单元118，其用于确定扭矩设定点是否高于扭矩阈值，该阈值至少等于100N，优选地至少200N。
控制装置112还包括单元120，产生用于逆变器108的命令。该单元120被配置为使得该命令导致，当基波频率被确定为比频率阈值低并且当扭矩设定点被确定为比扭矩阈值高时，电动机104的相a、b、c中出现相电流的单极分量。在所述示例中，当基频被确定为高于频率阈值或者当扭矩设定点被确定为低于扭矩阈值时，单元120被进一步构造成使得逆变器108的命令平衡相a、b、c，换言之，使得不存在单极分量。
在所述示例中，单极分量是三次谐波，并且具有等于相电流的非单极分量的峰值的预定部分的峰值，优选地等于非单极分量的峰值的倍。
可以理解的是，在转子的完全堵塞(blockage)的情况下，基频是零。在这种情况下，单极分量因此为常数。
参考图2，现在将描述一种用于控制逆变器108的方法200。
在步骤202中，传感器110测量的速度Ω并且提供该测量值给控制装置112。
在步骤204中，单元114基于速度Ω推导出相电流的基频，并确定该基频是否低于频率阈值。
在步骤206中，单元116从速度Ω和速度设定点Ω*确定的扭矩设定点C*。
在步骤208中，单元118确定扭矩设定点C*是否高于扭矩阈值。
在步骤210中，单元120接收扭矩设定点C*，以及单元114和118所进行的判定结果。如果这些结果表明该基频比频率阈值低并且扭矩设定点高于扭矩阈值，则单元120产生用于逆变器108的开关命令，该命令导致在相a、b、c中出现相电流的单极分量。该单极分量被加到非单极分量中，其被相应地设计为使电动机104到达扭矩设定点C*。否则，单元120产生平衡相电流的命令，所述平衡以只有非单极分量保持在各相a、b、c中这样的方式进行。
参考图3，曲线A示出了当存在三次谐波单极分量时相电流随时间的变化。
曲线B示出了非谐波分量，而曲线C示出了存在于各相a、b、c中的单极分量。
参考图4，曲线A示出了随时间变化的相电流(实线)，以及开关温度(虚线)，在现有技术的情况下，该开关的闭合使得电流进入该相。在t1时刻，转子被堵转。这样做的结果是，该相中的电流保持在恒定值。从这一刻开始，其温度被示出了的开关连续地切换，以维持电流恒定。在没有任何单极分量时，这将导致该开关的显著升温。
曲线B示出了前述的驱动系统100的相同的情况。应当理解的是，在转子的堵转之后，单极分量产生，后者使流过所述相的相电流减少，并因此限制了开关的发热。
本发明不限于前述的示例性实施例，而是由所附的权利要求书所限定，其范围扩大到所有可基于本领域技术人员中的一般知识来构思的修改和替代构造。
例如，每当单极电流的基波频率低于频率阈值时都可产生单极分量，而不管扭矩设定点的值。

Claims (8)

1.一种旋转驱动系统(100)，包括：
-电压源(102)，
-电动机(104)，其包括：
-定子，其具有独立相(a、b、c)，
-转子(106)，
-逆变器(108)，其设计为将每相(a、b、c)连接到电压源(102)，从而产生相电流，以及
-装置(112)，其用于控制通过逆变器(108)产生的相电流的值，
所述旋转驱动系统(100)的特征在于，所述控制装置(112)包括：
-用于确定所述相电流的基频是否低于频率阈值的单元(114)，所述频率阈值等于至多100Hz，
-用于产生命令的单元(118)，被配置为使得，当所述基频被确定为低于所述频率阈值时，所述命令导致所述相电流中出现单极分量，以便降低通过逆变器(108)产生的相电流的值，其中，如果所述基频是零，则该单极分量是常数。
2.根据权利要求1所述的旋转驱动系统(100)，其中所述单极分量是谐波。
3.根据权利要求2所述的旋转驱动系统(100)，其中所述单极分量是三次谐波。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的旋转驱动系统(100)，其中所述单极分量具有等于所述相电流的非单极分量的峰值的预定部分的峰值。
5.根据权利要求4所述的旋转驱动系统(100)，其中所述单极分量具有等于所述相电流的非单极分量的峰值的倍的峰值。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的旋转驱动系统(100)，其中所述控制装置(112)还包括用于确定扭矩设定点是否高于扭矩阈值的单元(118)，所述扭矩阈值至少等于100N，以及其中所述用于产生命令的单元(120)配置为使得当所述基频确定为低于所述频率阈值时并且当所述扭矩设定点确定为高于所述扭矩阈值时所述命令导致在电动机的相(a、b、c)中出现单极电流。
7.一种用于控制通过逆变器(108)产生的相电流的值的方法，所述逆变器设计为将电动机(104)的定子的每相(a、b、c)连接到直流电压源(102)，所述相(a、b、c)是独立的，所述方法的特征在于，其包括：
-确定相电流的基频是否低于频率阈值，所述频率阈值等于至多100Hz，
-产生命令，当所述基频确定为低于所述频率阈值时，所述命令导致所述相电流中出现单极分量，以便降低通过逆变器(108)产生的相电流的值，其中，如果所述基频是零，则该单极分量是常数。
8.一种计算机程序，其包括指令，当所述指令在计算机上执行时，导致由计算机实施根据权利要求7所述的方法的步骤。
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