CN112042101A - 脉冲图形生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生成用于控制驱动电动机的逆变器具备的多个开关元件的脉冲图形的脉冲图形生成装置。脉冲图形生成装置(70)具备：电流计算部(73)，计算将线间电压和感应电压施加到线圈时流动的电流i；电流有效值计算部(74)，根据电流i来计算电流有效值Irms；铁损推定部(75)，推定铁损Wi；以及图形生成部(76)，根据将电流有效值Irms和铁损Wi作为评价项目的评价函数来生成脉冲图形。

Description

脉冲图形生成装置

技术领域

本发明涉及一种脉冲图形生成装置。

背景技术

用于驱动电动机的逆变器具备多个开关元件。通过以预先决定的脉冲图形对该开关元件进行开关控制，将直流电力转换为交流电力。基于评价函数来决定脉冲图形。评价函数是将在驱动电动机时产生的损失等数值化而得的函数。

专利文献1中公开的逆变器被以将高次谐波电压作为评价函数的脉冲图形控制。按照高次谐波电压为最小的方式决定脉冲图形。

专利文献1：日本特开2016-5378号公报

当减小高次谐波电压时，电动机的铁损变小。因此，通过以专利文献1的脉冲图形控制逆变器，能够减小电动机的铁损。然而，通过专利文献1中公开的脉冲图形，不能够减小铜损。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够生成使铜损减少的脉冲图形的脉冲图形生成装置。

解决上述课题的脉冲图形生成装置是生成用于控制逆变器具备的多个开关元件的脉冲图形的脉冲图形生成装置，其中，上述逆变器驱动电动机，上述脉冲图形生成装置具备：电流计算部，计算当驱动上述电动机时所施加的电压被虚拟地施加到上述电动机的线圈时流过上述线圈的电流；电流有效值计算部，根据由上述电流计算部计算出的上述电流来计算电流有效值；铁损推定部，推定由上述电动机的铁芯引起的损失亦即铁损；以及图形生成部，根据评价函数来生成上述脉冲图形，其中，上述评价函数将由上述铁损推定部推定出的上述铁损、以及由上述电流有效值计算部计算出的上述电流有效值作为评价项目。

电流有效值对由线圈引起的损失亦即铜损产生影响，通过减小电流有效值从而铜损变小。通过根据包含电流有效值的评价函数来生成脉冲图形，从而生成考虑到铜损的脉冲图形。通过以该脉冲图形对逆变器的开关元件进行开关控制，能够减少铜损。

对于上述脉冲图形生成装置，上述评价函数也可以是以下的(1)式。

【式1】

其中，a、b：权重调整用系数，Irms：电流有效值，Wi：铁损。

据此，使电流有效值和铁损两方减少，并且能够通过权重调整用系数来选择重视哪一个评价项目。

根据本发明，能够生成使铜损减少的脉冲图形。

附图说明

图1是示出电动机、以及电动机驱动用的逆变器的框图。

图2是示出d、q/u、v、w转换电路的结构的框图。

图3是示出图的一个例子的图。

图4是脉冲图形生成装置的框图。

图5是示出以通过不包含电流有效值的评价函数生成的脉冲图形对开关元件进行开关控制时的扭矩波形的图。

图6是示出以通过实施方式的评价函数生成的脉冲图形对开关元件进行开关控制时的扭矩波形的图。

图7是与电动机的扭矩和电动机的转速建立对应地示出铜损为主导的第一区域和铁损为主导的第二区域的示意图。

具体实施方式

以下，对脉冲图形生成装置的一个实施方式进行说明。

如图1所示，逆变器10具备逆变器电路20和逆变器控制装置30。逆变器控制装置30具备驱动电路31和控制部32。本实施方式的逆变器10用于驱动电动机60。

逆变器电路20具备6个开关元件Q1～Q6和6个二极管D1～D6。使用IGBT作为开关元件Q1～Q6。在正极母线Lp与负极母线Ln之间串联连接有构成u相上臂的开关元件Q1、和构成u相下臂的开关元件Q2。在正极母线Lp与负极母线Ln之间串联连接有构成v相上臂的开关元件Q3、和构成v相下臂的开关元件Q4。在正极母线Lp与负极母线Ln之间串联连接有构成w相上臂的开关元件Q5、和构成w相下臂的开关元件Q6。在开关元件Q1～Q6反向并联连接有二极管D1～D6。在正极母线Lp、负极母线Ln经由平滑电容器C连接有作为直流电源的电池B。

将开关元件Q1与开关元件Q2之间连接于电动机60的u相端子。将开关元件Q3与开关元件Q4之间连接于电动机60的v相端子。将开关元件Q5与开关元件Q6之间连接于电动机60的w相端子。具有构成上下臂的开关元件Q1～Q6的逆变器电路20，能够伴随着开关元件Q1～Q6的开关动作而将电池B的电压亦即直流电压转换为交流电压并供给至电动机60。电动机60是将3个线圈U、V、W星形联结的电动机。作为电动机60，也可以使用感应电动机、IPM电动机、SPM电动机等任何种类的电动机。

在各开关元件Q1～Q6的栅极端子连接有驱动电路31。驱动电路31基于控制信号使逆变器电路20的开关元件Q1～Q6开关动作。

逆变器10具备：检测电动机60的电角度θ的位置检测部61、检测电动机60的u相电流Iu的电流传感器62、检测电动机60的v相电流Iv的电流传感器63、以及检测电源电压Vdc的电压传感器64。

控制部32由微型计算机构成。控制部32具备：减法部33、扭矩控制部34、扭矩/电流指令值转换部35、减法部36、37、电流控制部38、d、q/u、v、w转换电路39、坐标转换部40、以及速度运算部41。

速度运算部41根据由位置检测部61检测的电角度θ来运算速度ω。减法部33计算指令速度ω＊与由速度运算部41运算出的速度ω的差Δω。扭矩控制部34根据速度ω的差Δω来运算扭矩指令值T＊。

扭矩/电流指令值转换部35将扭矩指令值T＊转换为d轴电流指令值Id＊以及q轴电流指令值Iq＊。例如，扭矩/电流指令值转换部35使用预先存储于存储部(省略图示)的将目标扭矩与d轴电流指令值Id＊以及q轴电流指令值Iq＊建立对应的表格来进行扭矩/电流指令值转换。

坐标转换部40根据通过电流传感器62、63获得的u相电流Iu以及v相电流Iv来求出电动机60的w相电流Iw，并基于由位置检测部61检测的电角度θ来将u相电流Iu、v相电流Iv以及w相电流Iw转换为d轴电流Id以及q轴电流Iq。此外，d轴电流Id是在电动机60流动的电流中用于使励磁产生的电流向量分量，q轴电流Iq是在电动机60流动的电流中用于使扭矩产生的电流向量分量。

减法部36计算d轴电流指令值Id＊与d轴电流Id的差ΔId。减法部37计算q轴电流指令值Iq＊与q轴电流Iq的差ΔIq。电流控制部38基于差ΔId以及差ΔIq来计算d轴电压指令值Vd＊以及q轴电压指令值Vq＊。

d、q/u、v、w转换电路39通过输入电角度θ、d轴电压指令值Vd＊、q轴电压指令值Vq＊、以及电源电压Vdc，将各开关元件Q1～Q6的控制信号输出至驱动电路31。

如图2所示，d、q/u、v、w转换电路39具备：d、q/u、v、w转换部50、调制系数计算部51、脉冲图形决定部52、以及信号生成部53。

d、q/u、v、w转换部50基于角度信息(转子的位置)亦即电角度θ来将d轴电压指令值Vd＊、以及q轴电压指令值Vq＊坐标转换为u、v、w相的电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊。

调制系数计算部51基于电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊、和电源电压Vdc来计算调制系数Keu、Kev、Kew。调制系数计算部51是将电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊除以电源电压Vdc所得的值，是电压指令值(电压振幅)Vu＊、Vv＊、Vw＊与电源电压Vdc的比率。

脉冲图形决定部52基于电角度θ与调制系数Keu、Kev、Kew来决定开关元件Q1～Q6的开关图形亦即脉冲图形。脉冲图形作为图M存储于存储器等存储部。与电角度θ和调制系数Keu、Kev、Kew建立对应地设定脉冲图形。

如图3所示，图M是将接通指示信号和断开指示信号的每一个与电角度θ以及调制系数Keu、Kev、Kew建立对应的信息。图3示出与u相的调制系数Keu和电角度θ建立对应的图M的一个例子。接通指示信号是指示将上臂开关元件Q1、Q3、Q5接通而将下臂开关元件Q2、Q4、Q6断开的信号。断开指示信号是指示将上臂开关元件Q1、Q3、Q5断开而将下臂开关元件Q2、Q4、Q6接通的信号。

图M示出指示从接通指示信号向断开指示信号的切换、以及从断开指示信号向接通指示信号的切换的电角度θ亦即脉冲角。在图3中图示θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6来作为进行接通指示信号与断开指示信号的切换的脉冲角。

此外，在图3中，图示出u相的图M中的电角度θ为0°～90°的图M。若使图M在电角度θ为0°的位置呈线对称，则成为0°～-90°的图，若使电角度θ为-90°～90°的图点对称地反转，则成为90°～270°的图。v相、w相的图M相对于u相的图M，电角度θ偏移120°、240°。

信号生成部53基于由脉冲图形决定部52决定的脉冲图形来生成控制信号。信号生成部53基于脉冲图形来设定切换上臂开关元件Q1、Q3、Q5与下臂开关元件Q2、Q4、Q6的接通/断开时的死区时间，并且生成控制信号。由此，逆变器10的开关元件Q1～Q6被以预先决定的脉冲图形开关控制。

接下来，对上述的生成脉冲图形的脉冲图形生成装置进行说明。

如图4所示，脉冲图形生成装置70具备：对电动机60的线圈施加线间电压的线间电压施加部71、和对电动机60的线圈施加感应电压的感应电压施加部72。线圈是被施加线间电压的2个线圈，在本实施方式中设为u相的线圈U和v相的线圈V这2个线圈。脉冲图形生成装置70是通过模拟电动机60的驱动状况来生成脉冲图形的装置。

线间电压施加部71对线圈U、V虚拟地施加线间电压，该线间电压是当驱动电动机60时施加于线圈U、V的电压。感应电压施加部72将在驱动电动机60时产生的感应电压虚拟地施加于线圈U、V。线间电压由电池B的电压确定。感应电压通过分析、实测等导出。例如，能够通过使用磁场分析来计算在使电动机60旋转时产生的电压，或利用示波器等测定器测定电动机60的端子来导出感应电压。将线间电压施加到线圈U、V时流动的电流和将感应电压施加到线圈U、V时流动的电流是相反方向的电流。

脉冲图形生成装置70具备：计算将线间电压和感应电压施加到U、V时流动的电流i的电流计算部73、以及根据电流i计算电流有效值的电流有效值计算部74。电流计算部73根据以下的(2)式来计算电流i。

【式2】

其中，L是线圈U与线圈V的合成电感，i₀是时刻t＝0时流过线圈U、V的电流。

如根据(2)式能够掌握的那样，电流i除了考虑到线间电压以外，还考虑到感应电压。基于电流i的电流波形的斜率根据线间电压与感应电压的大小关系而变化。

电流有效值计算部74根据通过电流计算部73计算出的电流i得到的电流波形来计算电流有效值Irms。由于电流i考虑到感应电压，所以与未考虑感应电压的电流波形相比，能够得到接近实际的电动机60的驱动状况的电流波形。具体而言，在考虑到感应电压的情况下，在线间电压为0[V]时，线间电压＜感应电压，电流的斜率为负的。与此相对，在不考虑感应电压的情况下，没有考虑由感应电压引起的电流，在线间电压为0[V]时，维持电流的值。即，斜率为0。这样，在考虑感应电压的情况和不考虑感应电压的情况下，电流波形不同。

脉冲图形生成装置70具备推定铁损的铁损推定部75。铁损推定部75推定铁损Wi，该铁损Wi是由电动机60的铁芯，即转子铁芯以及定子铁芯引起的损失。铁损Wi能够根据以下的(3)式推定。

【式3】

其中，Vn是高次谐波电压，n是高次谐波次数。

脉冲图形生成装置70具备图形生成部76。图形生成部76根据将电流有效值Irms和铁损Wi作为评价项目的评价函数来生成脉冲图形。评价函数是将评价项目数值化而得的函数，本实施方式的评价函数为以下的(1)式。

【式4】

其中，a、b是权重调整用系数，Irms是电流有效值，Wi是铁损。

权重调整用系数a、b为任意的系数。通过设定权重调整用系数a、b的值，能够任意地设定重视电流有效值Irms与铁损Wi中的哪一方来进行评价。电流有效值Irms对由线圈U、V、W引起的损失亦即铜损产生影响，通过减小电流有效值Irms而铜损变小。若是与铜损相比铁损Wi较大的电动机60，则为了减小铁损Wi而增大权重调整用系数b，使铁损Wi减少。若是与铁损Wi相比铜损较大的电动机60，则为了减小铜损而增大权重调整用系数a，使铜损减少。这样，权重调整用系数a、b根据电动机60的种类、电动机60特性来设定。

本实施方式的评价项目均与电动机60的损失有关。因此，可以说，评价函数越小的脉冲图形，则是损失越减少的脉冲图形。图形生成部76按照评价函数的值为最小的方式生成脉冲图形。由此，能够得到脉冲图形的图M。

对本实施方式的作用进行说明。

逆变器10的各开关元件Q1～Q6被以由脉冲图形生成装置70生成的脉冲图形开关控制。该脉冲图形是决定为基于电流有效值Irms的铁损Wi的评价函数为最小的脉冲图形。通过以该脉冲图形对开关元件Q1～Q6进行开关控制，从而进行开关动作，以使电流有效值Irms以及铁损Wi两方都变小。即，能够基于权重调整用系数a、b来谋求铜损与铁损Wi的均衡，并且使两者减少。

如图5所示，当通过根据未包含电流有效值Irms的评价函数生成的脉冲图形来进行开关元件Q1～Q6的开关控制时，电流高次谐波较大，扭矩脉动也变大。

如图6所示，当通过本实施方式的根据评价函数生成的脉冲图形来进行开关元件Q1～Q6的开关控制时，因电流有效值Irms变小，从而电流高次谐波变小。可知在图6所示的扭矩波形中，与图5所示的扭矩波形相比，扭矩脉动变小。

对本实施方式的效果进行说明。

(1)图形生成部76使用将电流有效值Irms和铁损Wi作为评价项目的评价函数来生成脉冲图形。通过根据除了铁损Wi之外还包含电流有效值Irms的评价函数来生成脉冲图形，从而生成不仅考虑到铁损Wi还考虑到铜损的脉冲图形。通过以该脉冲图形对逆变器10的开关元件Q1～Q6进行开关控制，能够减少铜损。

(2)评价函数将电流有效值Irms和铁损Wi两方作为评价项目，并且能够通过权重调整用系数a、b来选择重视哪一个。因此，能够根据电动机60生成适合的脉冲图形。

本实施方式能够如以下那样变更并实施。本实施方式以及以下的变形例能够在技术上不矛盾的范围内相互组合并实施。

○权重调整用系数a、b也可以根据电动机60的扭矩T与电动机60的转速N而变更。如图7所示，由扭矩T与转速N规定的NT区域能够分为铜损为主导的第一区域A1和铁损Wi为主导的第二区域A2。因此，在铜损为主导的第一区域A1中，设定权重调整用系数a、b，以使a·Irms2＞b·Wi2。另一方面，在铁损Wi为主导的第二区域A2中，设定权重调整用系数a、b，以使a·Irms2＜b·Wi2。由此，图形生成部76能够生成与扭矩T和转速N对应的脉冲图形。

○权重调整用系数a、b也可以根据相电流而变更。例如，对相电流设定阈值，并在相电流为阈值以下的情况下，设定权重调整用系数a、b，以使a·Irms²＜b·Wi²。另外，在相电流大于阈值的情况下，设定权重调整用系数a、b，以使a·Irms²＞b·Wi²。作为阈值，使用由铜损与铁损Wi的大小关系判定的值等。由此，图形生成部76能够生成与相电流对应的脉冲图形。

○也可以如以下的(4)式那样追加评价函数的评价项目。

【式5】

c是权重调整用系数，x是任意的评价项目。作为x，例如列举电动机60(线圈U、V、W)的中性点电位、传导噪声。这样，作为评价函数，至少包含电流有效值Irms和铁损Wi即可。

○作为评价函数不限于(1)式，可以是任意的式子，只要包含铁损Wi和电流有效值Irms作为评价项目即可。

○也可以根据将线间电压施加到线圈U、V时流动的电流来求出电流有效值Irms，而不考虑感应电压。该情况下，作为电动机60，优选使用感应电动机。

○脉冲图形生成装置70也可以搭载于逆变器10。该情况下，通过设置能够检测线圈U、V的劣化情况的检测部、能够推定线圈U、V的劣化情况的推定部，来修正用于脉冲图形的生成的线圈U、V的电感。由此，能够生成考虑到线圈U、V的劣化情况情况的脉冲图形。通过根据线圈U、V的劣化情况来更新脉冲图形，能够通过适合逆变器10的脉冲图形进行开关元件Q1～Q6的开关控制。

○图形生成部76不限于评价函数为最小的脉冲图形，也可以生成能够输出任意的电流波形的脉冲图形等。

○铁损推定部75也可以根据与(3)式不同的式子来推定铁损Wi。

○对于调制系数，也可以仅计算1相。该情况下，将1相的调制系数作为3相共用的调制系数来进行控制。

○脉冲图形生成装置70也可以生成驱动将3个线圈U、V、W三角形联结的三相交流电动机时的脉冲图形。该情况下，电流计算部73计算对1相的线圈施加相电压以及感应电压时流动的电流(相电流)。而且，图形生成部76根据由该电流得到的电流有效值来生成脉冲图形。

附图标记说明：

Q1～Q6...开关元件，U、V、W...线圈，10...逆变器，60...电动机，70...脉冲图形生成装置，71...线间电压施加部，73...电流计算部，74...电流有效值计算部，75...铁损推定部，76...图形生成部。

Claims (2)

1.一种脉冲图形生成装置，是生成用于控制逆变器具备的多个开关元件的脉冲图形的脉冲图形生成装置，其中，上述逆变器驱动电动机，上述脉冲图形生成装置具备：

电流计算部，计算当驱动上述电动机时所施加的电压被虚拟地施加到上述电动机的线圈时流过上述线圈的电流；

电流有效值计算部，根据由上述电流计算部计算出的上述电流来计算电流有效值；

铁损推定部，推定由上述电动机的铁芯引起的损失亦即铁损；以及

图形生成部，根据评价函数来生成上述脉冲图形，其中，上述评价函数将由上述铁损推定部推定出的上述铁损、以及由上述电流有效值计算部计算出的上述电流有效值作为评价项目。

2.根据权利要求1所述的脉冲图形生成装置，其中，

上述评价函数是以下的(1)式，

【式1】

其中，a、b：权重调整用系数，Irms：电流有效值，Wi：铁损。

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