CN113348622A - 用于借助空间矢量调制操控多相电机的方法、控制设备以及驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操控多相电机(2)的方法，电机(2)的定子(3)具有第一子系统(4a)和第二子系统(4b)，第一子系统和第二子系统具有相同数量的相(Ph1a、Ph2a、Ph3a、Ph1b、Ph2b、Ph3b)并且具有分开的星形接点(S1、S2)，为了产生用于相应的相(Ph1a、Ph2a、Ph3a、Ph1b、Ph2b、Ph3b)的输出电压，借助空间矢量调制操控逆变器装置(9)，将输出电压作为相应的脉冲序列(UPh1a、UPh1b)输出，并且在第二子系统(4b)中的相应的脉冲序列(UPh1a、UPh1b)相对于在第一子系统(4a)中的脉冲序列(UPh1a、UPh1b)倒转地输出。

Description

用于借助空间矢量调制操控多相电机的方法、控制设备以及 驱动系统
技术领域
本发明涉及一种用于操控多相电机的方法，该电机的定子具有第一子系统和第二子系统，第一子系统和第二子系统具有相同数量的相并且具有分开的星形接点。在所述方法中，为了产生用于相应相的输出电压，借助空间矢量调制操控逆变器装置。此外，输出电压作为相应的脉冲序列输出。此外，本发明涉及一种控制设备以及一种驱动系统。最后本发明涉及计算机程序。
背景技术
电机在车辆中作为驱动马达使用。为此，由现有技术已知使用多相电机。在此通常使用逆变器，以便模拟多相交流系统。在这里可以利用基于脉冲宽度调制的空间矢量调制的方法运行逆变器。逆变器对于每相具有一个半桥，借助所述半桥可以将逆变器的相应输出端置于正的或负的中间电路电压。亦即，逆变器的相应输出电压作为脉冲序列输出。
为此DE 10 2012 210 670 A1描述了一种用于借助空间矢量调制操控逆变器的方法，其中，所述逆变器具有多个可控制的开关。在此操控逆变器，以便脉冲宽度调制地设置开关的多个相继的不同的开关状态。
在具有分开的星形接点的多相电机中，在相上产生零电压矢量时可产生平衡电流。这些平衡电流在幅度方面非常小，但对转子轴承的耐久性和电磁兼容性具有大的影响。
发明内容
本发明的任务在于揭示一种解决能够如何操控多相电机以最小化对电机的损坏并且减少干扰的技术方案。
该任务按照本发明通过具有按照独立权利要求的特征的方法、控制设备、驱动系统以及计算机程序解决。本发明的有利实施方式是从属权利要求和说明书的主题。
按照本发明的方法用于操控多相电机，其中，该电机的定子具有第一子系统和第二子系统，第一子系统和第二子系统具有相同数量的相并且具有分开的星形接点。在所述方法中，为了产生用于相应相的输出电压，借助空间矢量调制操控逆变器装置。在此输出电压作为相应的脉冲序列输出。在这里规定，在第二子系统中的相应脉冲序列相对于在第二子系统中的相应脉冲序列倒转地输出。
借助所述方法可操控用于车辆的电机。该电机可以在至少部分电驱动的车辆中作为驱动马达使用。要被操控的电机构成为多相的或者说在定子中具有多个相。所述电机具有第一子系统和第二子系统。在此，每个所述子系统可以具有至少一个相。所述子系统优选分别具有多个相。在此，在第一子系统中的相的数量等于在第二子系统中的相的数量。在此，在电机定子中的每个相可以配设有一个绕组线路。一个子系统的这些绕组线路可以在星形接点上相互电连接。在此，第一子系统和第二子系统的星形接点彼此电分离。
所述方法可以利用对应的控制设备实施，借助所述控制设备可以操控逆变器装置。所述逆变器装置用于输出用于电机的输出电压。在此，所述逆变器装置可以具有至少一个逆变器。该逆变器装置可以在输入端与中间电路连接。利用所述中间电路可以提供正的中间电路电压和负的中间电路电压。所述逆变器装置可以对于每个相具有一个半桥。每个所述半桥又可以具有上面的开关元件和下面的开关元件。这些开关元件尤其是可控制的并且可以构成为半导体开关。在每个开关位置中，在各相之间产生其它的电压情况并且因此也产生其它的电压空间矢量。为了提供电压空间矢量而使用脉冲宽度调制。在逆变器装置的相应输出端上输出电压脉冲或脉冲序列。这些脉冲序列施加在相应的相上，以便产生电压空间矢量。
按照本发明的一个重要方面规定，在第二子系统中的脉冲序列相对于在第一子系统中的脉冲序列倒转地输出。所述脉冲序列描述例如两个不同的电压按照预先确定的时间顺序输出。在此，术语“倒转”可理解为，如果在特定持续时间上在第一子系统中的脉冲序列中输出第一电压，则在相同持续时间上在第二子系统中输出第二电压。通过相的脉冲序列，在第一子系统和第二子系统中可产生平衡电流。通过该倒转的操控能够实现，在第二子系统中的平衡电流至少部分地抵消在第一子系统中的平衡电流。亦即，在第二子系统中的脉冲序列在时间上与在第一子系统中的脉冲序列错开，使得第二子系统中的脉冲序列对应于第一子系统的倒转的脉冲序列。以这种方式，能够避免或至少减少通过转子轴承的通过电流。对于实现逆变器装置的操控，不需要任何附加组件或附加硬件，因为通常存在用于操控的对应控制设备。总体上能够减少对电机转子轴承的损坏。此外能够降低电磁干扰。
在一种实施形式中，相应的脉冲序列描述第一零电压矢量和第二零电压矢量，其中，如果在第二子系统中输出第二零电压矢量，则在第一子系统中输出第一零电压矢量，而如果在第二子系统中输出第一零电压矢量，则在第一子系统中输出第二零电压矢量。逆变器装置的开关元件的两种位置用于产生所谓的零电压矢量，在所述两种位置中，要么所有上面的开关元件接通，要么所有下面的开关元件接通。在这些开关位置中，一个子系统的各个相短接。因此，在该子系统的各相之间没有产生电位差。这些零电压矢量也可以称为零电压空间矢量或被动的电压空间矢量。与零电压矢量不同的其余电压空间矢量可以称为主动的电压空间矢量。此时规定，如果在第一子系统中输出第一零电压矢量，则在第二子系统中输出第二零电压矢量，并且反之如果在第一子系统中输出第二零电压矢量，则在第二子系统中输出第一零电压矢量。以这种方式能够显著减少平衡电流。在此已经通过测量证明，基于电磁干扰的负载可能减少高达90％。
优选，第一子系统的每个相配设有第二子系统的一个对应相，其中，第一子系统的相的脉冲序列相对于第二子系统的对应相倒转。如已经解释的，在第一子系统中的相的数量等于在第二子系统中的相的数量。在此可以为在第一子系统中的每个相配设在第二子系统中的一个对应相。当例如将第一脉冲序列输入第一子系统的第一相中，则可以将相对于第一脉冲序列倒转的脉冲序列输入第二子系统的对应的第一相中。这适用于第一子系统的所有相和第二子系统的与此对应的相。以这种方式能够实现，第一子系统和第二子系统的平衡电流抵消。
在另一种实施形式中，在相应的脉冲序列中输出正的中间电路电压和负的中间电路电压。逆变器装置可以在输入端与中间电路连接。该中间电路尤其是构成为使得利用其可提供正的中间电路电压和负的中间电路电压。例如，该中间电路可以具有两个电容器，其中，在电容器之间的中央抽头与地连接。正的中间电路电压和负的中间电路电压是直流电压。尤其是规定，正的中间电路电压的数值等于负的中间电路电压的数值。因此可得出，在两个子系统中的平衡电流的数值也相同。因此能够实现平衡电流的尽可能完全的抵消。
在另一种实施形式中，这样输出在相应的子系统中的脉冲序列，使得所述脉冲序列中心对称。这意味着，用于相应的相的脉冲关于脉冲持续时间可以彼此不同。在此这样输出脉冲，使得一半的脉冲持续时间的时刻一致。当中心对称地调制输出电压时，产生能够减少在相中的电流失真的优点。但也产生获得最强平衡电流效果的缺点。可以如下克服所述缺点，即，在第二子系统中的输出电压相对于在第一子系统中的输出电压倒转地输出。由此能够实现，在第一子系统和第二子系统之间的平衡电流平衡。
按照本发明的控制设备用于操控用于电机的逆变器装置。控制设备被构成用于实施按照本发明的方法及其有利设计方案。控制设备可以通过处理器、数字信号处理器、计算机、控制器等提供。借助控制设备可以输出用于逆变器装置的各个开关元件的控制信号。
按照本发明的用于车辆的驱动系统包括按照本发明的控制设备。此外，驱动系统包括逆变器装置和电机。借助控制设备可以操控逆变器装置或逆变器装置的开关元件。此外，驱动装置可以具有中间电路，借助所述中间电路可以提供正的中间电路电压和负的中间电路电压。逆变器装置可以在输入端与中间电路连接并且在输出端与电机或电机的相连接。
电机优选构成为六相的。这意味着，第一子系统可以具有三个相并且第二子系统可以具有三个相。在此，第一子系统的三个相可以与第一星形接点连接并且第二子系统的三个相可以与第二星形接点连接。在此，第一星形接点和第二星形接点彼此电分离。通过六相电机，能够提供用于车辆的高效驱动。原则上，电机或电机的定子也可以具有其它数量的相。
在另一种实施形式中，逆变器装置包括用于第一子系统的第一逆变器和用于第二子系统的第二逆变器。每个所述逆变器可以对于每个相具有一个半桥。此外，每个所述逆变器可以对于每个相具有一个输出端。相应的逆变器可以在半桥中分别具有两个可控制的开关元件，例如晶体管、晶闸管等。这些开关元件然后可以借助控制设备操控并且因此断开或接通。
按照本发明的车辆包括按照本发明的驱动系统。所述车辆可以是至少部分电驱动的车辆。所述车辆可以构成为电动车或作为混合动力车。电机可以是车辆的驱动马达。优选所述车辆构成为轿车。也可以规定，所述车辆构成为商用车。
按照本发明的计算机程序包括指令，所述指令在通过控制设备执行所述程序时引起所述控制设备执行按照本发明的方法及其有利实施方式。
本发明的另一方面涉及计算机可读的(存储)介质，所述介质包括指令，所述指令在通过控制设备执行时引起所述控制设备执行按照本发明的方法及其有利实施方式。
参考按照本发明的方法提出的优选实施形式及其优点对应适用于按照本发明的控制设备、按照本发明的驱动系统、按照本发明的车辆、按照本发明的计算机程序产品以及按照本发明的计算机可读的(存储)介质。
本发明的其它特征由权利要求、附图和对附图的说明得出。以上在说明书中所提及的特征和特征组合以及接着在对附图的说明中所提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以相应给出的组合使用，而且也能以其它组合使用或能单独使用。
附图说明
现在借助优选实施例以及参考附图进一步解释本发明。在附图中：
图1示出一种用于车辆的驱动系统的示意图，该驱动系统具有六相电机；
图2示出输入电机的第一子系统的相中的脉冲序列以及输入电机的第二子系统的相中的脉冲序列；以及
图3示出描述在按照现有技术操控电机时的电磁干扰的测量和描述在按照本发明的方法操控时的电磁干扰的测量。
具体实施方式
在图中，相同的或功能相同的元件设有相同的附图标记。
图1以示意图示出驱动系统1，该驱动系统可以被用于至少部分电驱动的车辆。驱动系统1包括多相电机2。电机2当前构成为六相的。电机2包括定子3，所述定子具有第一子系统4a和第二子系统4b。在此，第一子系统4a配设有三个相Ph1a、Ph2a和Ph3a并且第二子系统4b配设有三个相Ph1b、Ph2b和Ph3b。在此，第一子系统4a的相Ph1a、Ph2a和Ph3a与第一星形接点S1连接，而第二子系统4b的相Ph1b、Ph2b和Ph3b与第二星形接点S2连接。在此，星形接点S1、S2彼此分开或没有电连接。此外，电机2包括转子5，所述转子具有轴6并且构成为能相对于定子3旋转。该轴6利用轴承或转子轴承可旋转地支撑。
此外，驱动系统1包括中间电路7，所述中间电路具有第一电容器C1和第二电容器C2。在第一电容器C1和第二电容器C2之间设置有接地的中央抽头8。在各个电容器C1、C2上产生Udc/2的电压降。此外，驱动系统1包括逆变器装置9，所述逆变器装置包括第一逆变器10a和第二逆变器10b。在此，第一逆变器10a配设给第一子系统4a，而第二逆变器10b配设给第二子系统4b。相应的逆变器10a、10b对于每个所述相Ph1a、Ph2a、Ph3a、Ph1b、Ph2b和Ph3b具有一个半桥，该半桥具有上面的开关元件和下面的开关元件。
此外，驱动系统1包括控制设备11，所述控制设备用于操控逆变器装置9或逆变器10a、10b。借助控制设备11，控制信号可以被传输给逆变器10a、10b的相应的开关元件。通过这些控制信号可以断开或接通开关元件。在此规定，控制设备11借助空间矢量调制操控逆变器10a、10b或逆变器10a、10b的开关元件。作为在相应的逆变器10a、10b上的输出电压，输出脉冲序列。
为此，图2在上方区域中示例性地示出关于时间t的脉冲序列UPh1a，利用该脉冲序列操控第一子系统4a的第一相Ph1a。该脉冲序列UPh1a示例性地在正的中间电路电压+Udc/2和负的中间电路电压-Udc/2之间变换。在该示例中，正的中间电路电压+Udc/2通过输出第一零电压矢量产生，而负的中间电路电压-Udc/2通过输出第二零电压矢量产生。为了输出第一零电压矢量例如接通在第一逆变器10a中的所有上面的开关元件，而为了输出第二零电压矢量例如接通在第一逆变器10a中的所有下面的开关元件。
在产生相应的零电压矢量时，在第一子系统4a中的相Ph1a、Ph2a和Ph3a之间不产生电压差。通过该操控或通过该脉冲序列UPh1a，在第一子系统4a中产生平衡电流IC1。如在图1的电机2的等效电路图中可看出的，定子3的子系统4a、4b与地电容性地耦合。这当前通过电容器C3阐明。此外，在定子3或子系统4a、4b与转子5之间产生电容性耦合，其通过电容器C4描述。
在第一子系统4a中的平衡电流IC1自身导致：由于在第一子系统与转子5之间的电容性耦合产生经由转子轴承至地的通过电流。转子轴承在等效电路图中通过阻抗Rb描述。通过转子轴承的该电流会导致损坏转子轴承。此外由于平衡电流将会产生电磁干扰。
在图2的下方区域中示出脉冲序列UPh1b或电压，借助其操控在第二子系统4b中的第一相Ph1b。在此，在第二子系统4b中的第一相Ph1b对应于在第一子系统4a中的第一相Ph1a。通过脉冲序列在第二子系统4b中也产生平衡电流IC2。如由图2可看出的，脉冲序列UPh1b构成相对于脉冲序列UPh1a倒转的脉冲序列。当在第一子系统4a中的第一相Ph1a上存在正的中间电路电压+Udc/2时，在第二子系统4b中的第一相Ph1b上存在负的中间电路电压-Udc/2。当在第一子系统4a中的第一相Ph1a上存在负的中间电路电压-Udc/2时，在第二子系统4b中的第一相Ph1b上存在正的中间电路电压+Udc/2。这导致，平衡电流IC1和IC2彼此抵消。以这种方式能够至少减少通过转子轴承的通过电流并且防止损坏转子轴承。
此外，通过之前描述的对逆变器10a、10b的操控能够实现改善电磁兼容性(EMV)。为此，图3示出图表，在该图表中，在横坐标上记录频率f并且在纵坐标上记录以dB为单位的电平P。在此，曲线12描述按照现有技术操控电机2的干扰。在该操控中，第一子系统4a和第二子系统4b的平衡电流IC1和IC2不抵消。与此相比，曲线13示出对于如下操控的干扰，在该操控中，在子系统4a、4b中的脉冲序列UPh1a和UPh1b倒转地输出。各个曲线12、13通过在车辆动力总成系统中在正高压端子与负高压端子之间的测量确定。在这两个曲线12和13的比较中可明显看出，通过使脉冲序列UPh1a和UPh1b彼此错位，能够实现明显减少干扰。因此能够改善电磁兼容性。
附图标记列表
1 驱动系统
2 电机
3 定子
4a 第一子系统
4b 第二子系统
5 转子
6 轴
7 中间电路
8 中间抽头
9 逆变器装置
10a、10b 逆变器
11 控制设备
12、13 曲线
C1、C2、C3、C4 电容器
f 频率
IC1、IC2 平衡电流
P 电平
Ph1a、Ph2a、Ph3a 相
Ph1b、Ph2b、Ph3b 相
Rb 阻抗
S1、S2 星形接点
t 时间
Udc/2 中间电路电压
UPh1a、UPh1b 电压

Claims (10)

1.一种用于操控多相电机(2)的方法，该电机(2)的定子(3)具有第一子系统(4a)和第二子系统(4b)，第一子系统和第二子系统具有相同数量的相(Ph1a、Ph2a、Ph3a、Ph1b、Ph2b、Ph3b)并且具有分开的星形接点(S1、S2)，为了产生用于相应的相(Ph1a、Ph2a、Ph3a、Ph1b、Ph2b、Ph3b)的输出电压，借助空间矢量调制操控逆变器装置(9)并且将输出电压作为相应的脉冲序列(UPh1a、UPh1b)输出，其特征在于，在第二子系统(4b)中的相应的脉冲序列(UPh1a、UPh1b)相对于在第一子系统(4a)中的脉冲序列(UPh1a、UPh1b)倒转地输出。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，相应的脉冲序列(UPh1a、UPh1b)描述第一零电压矢量和第二零电压矢量，如果在第二子系统(4b)中输出第二零电压矢量，则在第一子系统(4a)中输出第一零电压矢量，而如果在第二子系统(4b)中输出第一零电压矢量，则在第一子系统(4a)中输出第二零电压矢量。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一子系统(4a)的每个相(Ph1a、Ph2a、Ph3a)配设有第二子系统(4b)的一个对应相(Ph1b、Ph2b、Ph3b)，其中，使第一子系统(4a)的相(Ph1a、Ph2a、Ph3a)的脉冲序列(UPh1a)相对于第二子系统(4b)的对应相(Ph1b、Ph2b、Ph3b)倒转。
4.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在相应的脉冲序列(UPh1a、UPh1b)中，输出正的中间电路电压(+Udc/2)和负的中间电路电压(-Udc/2)。
5.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，脉冲序列(UPh1a、UPh1b)在相应的子系统(4a、4b)中这样输出，使得所述脉冲序列中心对称。
6.一种用于操控用于电机(2)的逆变器装置(9)的控制设备(11)，其中，所述控制设备(11)被设计用于实施按照上述权利要求之一所述的方法。
7.一种用于车辆的驱动系统(1)，所述驱动系统包括按照权利要求6所述的控制设备(11)、逆变器装置(9)和电机(2)。
8.按照权利要求7所述的驱动系统(1)，其特征在于，所述电机(2)构成为六相的。
9.按照权利要求7或8所述的驱动系统(1)，其特征在于，所述逆变器装置(9)具有用于第一子系统(4a)的第一逆变器(10a)和用于第二子系统(4b)的第二逆变器(10b)。
10.包括指令的计算机程序，所述指令在通过控制设备(11)执行所述程序时引起所述控制设备执行按照权利要求1至5之一所述的方法。
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