CN110999067A - 用于控制三相逆变器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制接收直流输入电压的三相电压逆变器的方法，该方法包括校正参考电压矢量的步骤(40)，该步骤包括：‑根据在第一二维参考系中该参考电压矢量的两个分量的符号来计算由该参考电压矢量所在的扇区的等分线与该第一二维参考系的横坐标形成的角度的至少一个三角测量值(Sk，Ck)的步骤(44)；‑根据所述至少一个计算出的三角测量值(Sk，Ck)来计算校正后的参考三相电压的分量的步骤(47)。

Description

用于控制三相逆变器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制三相逆变器、尤其是用于控制用于电动车辆和混合动力车辆的动力传动系的三相逆变器的方法。
更具体地，本发明涉及在控制电压高于蓄电器的电池的最大电压的情况下，出于驱动功率开关的目的而管理被发送到逆变器的调制策略的参考电压。
背景技术
在汽车领域中，电动动力传动系(EPT)具体地由三相电动机器构成，该三相电动机器由三相逆变器驱动。
该逆变器是由多个半导体配置(也称为功率开关)构成的静态电路，这些功率开关由实施控制算法的数字计算机控制。
用于控制逆变器的方法的目的是确保“封闭(rapprochée)”控制，以便通过反馈控制将由逆变器供电的电动机器产生的扭矩保持在所需的值。
因此，电压逆变器使用脉宽调制(PWM)策略将由DC电源Vdc递送的电压变换为具有可变的频率和幅度的AC电压。调制策略的作用是将具有接近正弦波的波形的输出电压递送到负载。
一种特定的已知PWM控制技术是空间矢量方法，也称为空间矢量调制。
在空间矢量方法中，在二维参考系(αβ)中以单个参考电压矢量Vref的形式对通过闭环反馈控制递送的三相控制电压进行变换。此变换通常使用本领域技术人员众所周知的克拉克(Clarke)变换来执行。
在此参考系(αβ)中，逆变器的线性操作由半径为
Figure BDA0002357924470000011
的中心圆来界定，Vdc是作为输入递送到电压逆变器的DC电压。
然而，当参考电压矢量的范数具有大于该圆的半径的值时，逆变器的操作变为非线性的，并且被称为处于过调制区域中。在此过调制模式中，一个众所周知的问题是输出信号相对于预期正弦波的变形。
但是，过调制区域在不需要增大来自源Vdc的DC电压的幅度的情况下提供了对逆变器的操作范围的有用扩展。
另外，一个已知的问题是改善逆变器控制电压以便允许逆变器在过调制区域中进行最佳操作。
现有技术中已知的控制方法通常实施复杂并且在计算时间方面很耗时，因为它们需要实施三角测量算子。特别地，一种已知的方法是在以下出版物中描述的方法：Holtz、Joachim、Wolfgang Lotzkat和Ashwin M.Khambadkone的“On continuous control of PWMinverters in the overmodulation range including the six-step mode.[关于在包括六步模式的过调制范围内对PWM逆变器进行连续控制]”,IEEE Transactionson PowerElectronics[IEEE电力电子学报]8.4(1993):546-553。
过调制控制方法也是已知的，如在以下出版物中描述的方法：Seok、Jul-Ki、Joohn-Sheok Kim和Seung-Ki Sul的“Overmodulation strategy for high-performancetorque control.[用于高性能扭矩控制的过调制策略]”,IEEE Transactionson PowerElectronics[IEEE电力电子学报]13.4(1998):786-792。
发明内容
因此，需要一种用于优化逆变器在过调制区域中的操作的方法，该方法可靠、数字计算机所需的计算时间少、占用的存储空间少并且易于实施。
提出了一种用于控制接收DC输入电压的三相电压逆变器的方法，该方法包括：
-接收三相电压设定点的步骤；
-将所述三相电压设定点变换为参考电压矢量的步骤，该参考电压矢量由在第一二维参考系中的两个分量来定义；在所述第一二维参考系中定义了多个扇区，每个扇区与所述二维参考系的形成在该逆变器的两个角度相邻的瞬时电压之间的空间部分相对应；
-校正该参考电压矢量的步骤；
-根据在校正步骤中校正的参考三相电压来控制该逆变器的步骤，该校正步骤包括：
-根据在该第一二维参考系中该参考电压矢量的分量的符号来确定具有三种可能值的三个变量并比较所述分量的绝对值的步骤；
-根据先前所确定的变量来计算由所述参考电压矢量所在的扇区的等分线与该第一二维参考系的横坐标形成的角度的三角测量值的步骤；
-根据所述先前计算出的三角测量值来计算校正后的参考三相电压的分量的步骤。
因此，可以在无需存储预先计算的值的表格、并且不涉及通常在计算时间方面很耗时的三角测量计算的情况下确定校正后的参考三相电压，所计算出的三角测量值是使用基于简单逻辑运算符(加、乘、减和除)和值比较的计算来获得的。
有利的是，可以确定与参考电压矢量所在的扇区的等分线相关联的三角测量值，而不必确定此扇区。换句话说，计算三角测量值的步骤是独立于扇区的检测而执行的。这使得可以获得能特别简单且快速地实施的方法。
有利地且非限制性地，所述计算校正后的参考三相电压的分量的步骤包括根据所述至少一个三角测量值来确定在第二二维参考系中的经变换矢量的步骤。因此，简化了用于获得校正后的三相电压的分量的计算。
有利地且非限制性地，所述计算校正后的参考三相电压的分量的步骤包括对该经变换矢量进行饱和。因此，通过将饱和直接施加到经变换矢量，确保了以相对快速且简单的方式将参考矢量校正到逆变器的线性操作的限制内。
有利地且非限制性地，所述计算这些变量的步骤包括比较在该第一二维参考系中该参考电压矢量的分量与在该第一二维参考系中该参考电压矢量的另一分量的绝对值，所述另一分量被乘以√3。以这种方式，使用简单的逻辑运算就可以相对准确地获得三角测量值。
有利地且非限制性地，所述计算三角测量值的步骤包括计算所述角度的余弦值和正弦值。以这种方式，可以更简单地确定校正值。
有利地且非限制性地，无论所确定的扇区是哪个，都借助于单个等式和所述比较来执行对所述正弦值的计算，该单个等式是在该第一二维参考系中该参考电压矢量的该分量的函数。因此，可以优化该方法的运行时间。
有利地且非限制性地，无论所确定的扇区是哪个，都借助于单个等式和所述比较来执行对所述余弦值的计算，该单个等式是在该第一二维参考系中该参考电压矢量的所述另一分量的函数。因此，可以优化该方法的运行时间。
本发明还涉及一种用于控制逆变器的控制设备，例如，例如机动车辆车载的微控制器、微处理器、DSP、计算机，该控制设备包括：
-用于接收三相电压设定点的装置；
-用于将所述三相电压设定点变换为参考电压矢量的装置，该参考电压矢量由在第一二维参考系中的两个分量来定义；在所述第一二维参考系中定义了多个扇区，每个扇区与所述二维参考系的形成在该逆变器的两个角度相邻的瞬时电压之间的空间部分相对应；以及
-用于校正所述参考电压矢量的装置；
-用于根据由该校正装置提供的校正后的参考三相电压来控制该逆变器的装置，该用于校正所述参考电压矢量的装置适用于：
-根据在该第一二维参考系中该参考电压矢量的分量的符号来确定具有三种可能值的三个变量并比较所述分量的绝对值；
-根据所述变量来计算由所述参考电压矢量所在的扇区的等分线与该第一二维参考系的横坐标形成的角度的三角测量值；
-根据所述计算出的三角测量值来计算在所述第一二维参考系中该校正后的参考三相电压的分量。
本发明还涉及一种电气组件，该电气组件包括如上文所描述的三相电压逆变器和控制设备。
本发明还涉及一种机动车辆，该机动车辆包括如上文所描述的电气组件。
附图说明
根据阅读借助于非限制性指示、参照附图所提供的本发明的一个具体实施例的下文中提供的说明，本发明的其他特质和优点将会变得明显，在附图中：
-图1表示了现有技术中已知的使用克拉克变换获得的在二维参考系中三相逆变器的参考电压和操作电压；
-图2是现有技术中已知的三相逆变器的示意图；并且
-图3是根据本发明一个实施例的控制方法的校正步骤的流程图。
具体实施方式
参照图2，三相电压逆变器20包括三个开关臂A、B、C，每个开关臂分别具有串联的两个功率开关，即，A+、A-；B+、B-和C+、C-。
针对逆变器的分别与要生成的三相电压中的一个相相对应的每个臂A、B、C，这两个开关A+、A-；B+、B-和C+、C-不能同时处于同一状态，即，断开或闭合。换句话说，当一个臂的其中一个开关闭合时，同一个臂的另一个开关必须断开，因为否则将发生短路。
在整个说明书的其余部分中，针对每个臂A、B、C，当上部开关A+、B+、C+分别闭合时，按惯例使用二进制值0来描述所考虑的臂的状态，而当下部开关A-、B-、C-分别闭合时，使用二进制值1来描述该臂。
因此，为了描述在给定时间逆变器的总体配置，使用三位二进制记数法。例如，值011可以读被取为：
-最高有效位0代表臂A＝A+闭合；
-中间位1代表臂B＝B-闭合；以及
-最低有效位1代表臂C＝C-闭合。
为了控制这些开关的断开和闭合以便基于DC电流源VDC产生正弦信号，实施了一种用于使用脉宽调制PWM来控制逆变器的方法。
在此，通过本领域技术人员已知为空间矢量调制的技术来执行PWM。
参照图1，此技术以单个参考电压矢量Vref的形式对要在电流采样持续时间内生成的电压的三相系统进行建模。
使用本领域技术人员众所周知的克拉克变换获得在第一二维参考系(αβ)中的参考电压矢量Vref，从而使得可以根据所接收的三个相的电压来获得参考电压矢量Vref的坐标vα和vβ：
Figure BDA0002357924470000061
其中，va是臂A的输出电压的基波分量，vb是臂B的输出电压的基波分量，而vc是臂C的输出电压的基波分量。
在此参考系(αβ)中，逆变器的开关的八种可能配置分别由瞬时电压矢量V0至V7利用如上文所描述的二进制记数法来表示：
·V0：000
·V1：100
·V2：110
·V3：010
·V4：011
·V5：001
·V6：101
·V7：111
在此，V0对应于所有上部开关A+、B+、C+闭合的情况，而V7对应于所有下部开关A-、B-、C-闭合的情况。瞬时电压矢量V0和V7称为续流矢量。
瞬时电压矢量V1至V6是在空间矢量调制的背景下本领域技术人员众所周知的配置。
由于逆变器20仅具有有限数量的可能配置，即，仅生成瞬时电压矢量V0至V7，因此对于本领域技术人员众所周知的是，根据期望的参考电压矢量Vref，在短暂时间段内施加一系列瞬时电压矢量V0至V7，以便平均地获得期望的参考电压矢量Vref。
二维参考系(αβ)中的瞬时电压矢量V1至V6的凸包络11形成六边形11。此凸包络11对应于参考电压矢量可以从其产生逆变器20的全波操作的所有点。
六边形11被细分为六个扇区S1至S6，每个扇区由两个非零瞬时电压矢量V1至V6和六边形11的外线段界定。
在六边形11内，内切有定义参考电压矢量Vref的幅度的圆10，在该圆内确保了调制的线性。
内切圆10的半径的值为Vdc/√3；Vdc是作为输入被递送到逆变器20的DC电压。
只要参考电压矢量Vref保持在内切圆10的界限内，就不会出现线性问题，从而使这些电压可由逆变器20直接实现。
然而，当参考电压矢量Vref超出内切圆10的界限时，逆变器20于是进入过调制。在此，不再能确保在脉宽调制(PWM)策略的输入处的设定点电压与由逆变器20实际产生的电压的基波分量之间的线性。
于是，将参考电压Vref减小40到与在六边形11上的投影相对应的值，从而将控制减小到可允许的电压值。
无论参考电压矢量Vref(也称为控制电压Vref)所在的扇区S(在1到6之间)(对应的等分线为d1到d6)是哪个，都在不使用三角函数(以便限制计算负载)或预先计算的值的表格(以便限制所使用的存储器空间)的情况下计算分别等于由相应扇区S的等分线与横坐标轴α(机器的第一相(相a)的轴线，V1)形成的角度λ的正弦和余弦的变量sk和ck。
因此，计算变量sk和ck而不必预先确定或知道参考电压所在的扇区S，这增强了校正方法的简单性。换句话说，可以从下文中描述的等式来确定相应扇区S的等分线的角度值，而不必确定参考电压Vref所在的相应扇区S。
为了实现这一点，从前述等式(1)开始，根据在第一二维参考系(αβ)中参考电压矢量Vref的值vα和vβ的符号sgnα、sgnβ来确定具有三种可能值(-1，0，1)的变量，并且比较43相同值vα、vβ的绝对值sgnαβ，如下所示：
Figure BDA0002357924470000081
Figure BDA0002357924470000082
Figure BDA0002357924470000083
接着，根据先前获得的这三个变量sgnα、sgnβ和sgnαβ使用以下等式来计算44正弦sk和余弦ck的值：
Figure BDA0002357924470000084
Figure BDA0002357924470000085
特别地，可以预先计算并存储值√3/4和1/4，以使得计算余弦ck和正弦sk更快速。
接着，根据值vα、vβ、sk和ck来计算45扇区S的参考系(此参考系是通过将参考系(αβ)旋转角度λ来获得的)中的经变换参考电压，并且如下所示：
vdk＝ckvα-skvβ (7)
vqk＝ckvβ-skvα (8)
所获得的值vdk、vqk对应于Vref在通过将二维参考系(αβ)旋转角度λ而获得的参考系中的投影，然后对这些值进行饱和(saturate)46以
获得在相应扇区S的参考系中的饱和后的参考电压值
Figure BDA0002357924470000091
和
Figure BDA0002357924470000092
Figure BDA0002357924470000093
Figure BDA0002357924470000094
这些等式(9)和(10)使得可以施加最大过调制电平(最大线性电压Vdc/√3的110％)。
等式(10)使得可以特别是将输出电压的幅度增大到最高达2Vdc/pi，并且因此允许施加全波控制。
在不提供此优点但使得可以限制电压的相位失真的一种变型中，将等式(10)替换成以下等式(同时保留等式(9))：
Figure BDA0002357924470000095
其中，ε是很小的量(例如ε＝0.0001)，其消除了在对等式(10)进行数值求解时除以零的风险：
Figure BDA0002357924470000096
其中，
Figure BDA0002357924470000097
通过数值地应用以下等式来获得47要发送到逆变器20的最终三相电压的三个分量：
Figure BDA0002357924470000098
Figure BDA0002357924470000099
Figure BDA00023579244700000910
因此，最终三相电压的这些分量
Figure BDA00023579244700000911
位于电压六角形11的界限内，即，在关于逆变器20的输出的可允许电压区域内。
等式(1)至(13)可以很容易实施并且可以由计算机快速求解，因为它们仅涉及基本计算函数，即，加法、乘法和比较。
此外，如果参考电压Vref低于
Figure BDA00023579244700000912
则不修改此电压，这确保了这两个线性操作区域和非线性操作区域之间的连续性，并且因此增强了控制稳定性。

Claims (10)

1.一种用于控制接收DC输入电压(VDC)的三相电压逆变器(20)的方法，
该方法包括：
-接收三相电压设定点(va，vb，vc)的步骤；
-将所述三相电压设定点(va，vb，vc)变换为参考电压矢量(Vref)的步骤，该参考电压矢量由在第一二维参考系(αβ)中的两个分量(vα，vβ)来定义；在所述第一二维参考系(αβ)中定义了多个扇区(S1至S6)，每个扇区(S1至S6)与所述二维参考系(αβ)的形成在该逆变器(20)的两个角度相邻的瞬时电压(V1至V6)之间的空间部分相对应；
-校正该参考电压矢量(Vref)的步骤(40)；以及
-根据在所述校正步骤(40)中获得的校正后的参考三相电压来控制所述逆变器(20)的步骤，
其特征在于，该校正步骤(40)包括：
-根据在该第一二维参考系(αβ)中该参考电压矢量(Vref)的分量(vα，vβ)的符号来确定具有三种可能值(-1，0，1)的三个变量(sgnα，sgnβ，sgnαβ)并比较所述分量(vα，vβ)的绝对值的步骤；
-根据先前所确定的变量(sgnα，sgnβ，sgnαβ)来计算由所述参考电压矢量(Vref)所在的扇区(S1至S6)的等分线与该第一二维参考系(αβ)的横坐标(α)形成的角度的三角测量值(sk，ck)的步骤(44)；
-根据所述先前计算出的三角测量值(sk，ck)来计算校正后的参考三相电压的分量的步骤(47)。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述计算该校正后的参考三相电压的分量的步骤(47)包括根据所述三角测量值(sk，ck)来确定在第二二维参考系中的经变换矢量的步骤(45)。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述计算该校正后的参考三相电压的分量的步骤(47)包括对该经变换矢量进行饱和(46)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述确定三个变量(sgnα，sgnβ，sgnαβ)的步骤包括比较(43)在该第一二维参考系(αβ)中该参考电压矢量(Vref)的分量(vβ)与在该第一二维参考系(αβ)中该参考电压矢量(Vref)的另一分量(vα)的绝对值，所述另一分量被乘以√3。
5.如权利要求1至4中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述计算三角测量值(sk，ck)的步骤(44)包括计算所述角度的余弦值(ck)和正弦值(sk)。
6.如权利要求5在从属于权利要求4时所述的控制方法，其特征在于，无论是哪个扇区(S1至S6)，都借助于单个等式和所述比较来执行对所述正弦值(sk)的所述计算(44)，该单个等式是在该第一二维参考系(αβ)中该参考电压矢量(Vref)的该分量(vβ)的函数。
7.如权利要求6或5在从属于权利要求4时所述的控制方法，其特征在于，无论是哪个扇区(S1至S6)，都借助于单个等式和所述比较来执行对所述余弦值(ck)的所述计算(44)，该单个等式是在该第一二维参考系(αβ)中该参考电压矢量(Vref)的所述另一分量(vα)的函数。
8.一种用于控制逆变器(20)的设备，该设备包括：
-用于接收三相电压设定点(va，vb，vc)的装置；
-用于将所述三相电压设定点(va，vb，vc)变换为参考电压矢量(Vref)的装置(29)，该参考电压矢量由在第一二维参考系(αβ)中的两个分量(vα，vβ)来定义；在所述第一二维参考系(αβ)中定义了多个扇区(S1至S6)，每个扇区(S1至S6)与所述二维参考系(αβ)的形成在该逆变器(20)的两个角度相邻的瞬时电压(V1至V6)之间的空间部分相对应；
-用于校正该参考电压矢量(Vref)的装置(40)；以及
-用于根据由所述校正装置(40)提供的校正后的参考三相电压来控制所述逆变器(20)的装置，所述用于校正所述参考电压矢量(Vref)的装置(40)适用于：
-根据在该第一二维参考系(αβ)中该参考电压矢量(Vref)的分量(vα，vβ)的符号来确定具有三种可能值(-1，0，1)的三个变量(sgnα，sgnβ，sgnαβ)并比较所述分量(vα，vβ)的绝对值；
-根据所述变量(sgnα，sgnβ，sgnαβ)来计算由所述参考电压矢量(Vref)所在的扇区(S1至S6)的等分线与该第一二维参考系(αβ)的横坐标(α)形成的角度的三角测量值(sk，ck)；
-根据所述计算出的三角测量值(sk，ck)来计算校正后的参考三相电压的分量。
9.一种电气组件，包括如权利要求8所述的三相电压逆变器和控制设备。
10.一种机动车辆，包括如权利要求9所述的电气组件。
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