CN114070171A - 用于确定逆变器的相电流的方法、设备和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定逆变器（1）的相电流的方法，其中，重复地通过所述逆变器（1）借助于脉冲宽度调制来调制施加在所述逆变器（1）的直流电压总线（3）处的输入直流电压，以便生成多相电流（I2），所述多相电流包括具有相应的相电流的至少三个相。在所述脉冲宽度调制的调制周期内通过所述逆变器的电流测量设备（7）测量至少两个相电流值，并且通过控制单元由所述至少两个相电流值确定所述至少三个相电流。本发明提出，通过所述控制单元（9）借助于预定的数学模型基于在前的至少一个调制周期的相电流确定相应的替换相电流值，在确定对调制周期的相电流值中的至少两个相电流值的测量有误时，将相应的替换相电流值配属于相应的相电流。

Description

用于确定逆变器的相电流的方法、设备和车辆

技术领域

本发明涉及一种用于确定逆变器的相电流的方法、用于确定逆变器的相电流的设备和具有该设备的车辆。

背景技术

通常通过三相电流驱动电机。通过三相电流的相应的相电流来调节磁通量密度和转矩。在此，相应的相电流流动通过电机的相应的线圈。通过逆变器提供三相电流，该逆变器也被称为换流器或者旋转式整流器（Drehrichter）。中间电路附接在逆变器处，该中间电路将直流电压源与逆变器的输入电压总线连接。因此，逆变器与正输入电势和负输入电势连接。在逆变器的多相总线处提供多相电流，其中，相应的相位配属有相应的极。相应的极能够通过相应的半桥要么与正输入电势、要么与负输入电势连接。为了提供相应的相电流，借助于半桥进行脉冲宽度调制。在此，通过调节调制序列的占空比来调节相应的相电流。在这种情况下谈论的是所谓的空间矢量调制。

为了进行调节，必须确定相应的相电流，所述相电流流动通过相应的线圈。一种可能性是，在多相总线的相应的极处测量相电流。但是，由于所使用的霍尔传感装置，这种方法比较成本密集。第二种方法是，在相应的半桥处测量相电流。为此，能够将电流测量电阻放入到半桥的相应的低侧路径中，该半桥检测相电流，而半桥的低侧开关被接通为导电。这种布置需要使电流测量设备和脉冲宽度调制同步。第三种方法是，在输入电压总线的极处测量相电流。为此，只需要电流测量电阻。这种方法利用以下事实：在脉冲宽度调制的调制周期内能够通过输入直流电流确定相电流。在这种情况下，需要在脉冲宽度调制的调制周期内至少测量两次当前的输入直流电流。根据当前的开关位态能够将测量的输入直流电流配属于相应的相电流。当获知两个相电流时，能够由已知的两个相电流计算第三个相电流。例如在所谓的星形连接中，这能够通过节点定则实现。

与使用霍尔传感器相比，使用电流测量电阻（所谓的节流器）的缺点是功率密度较低。当电压利用高或者逆变器输出高时，在电流测量时出现测量失败，因此使调节变得困难。出现测量失败，因为当逆变器输出高时将低侧开关闭合一段比较短的时间。然而，为了测量相电流需要最短时间，因为由于电感在闭合该开关之后出现相电流的过冲。在确定的时间之后过冲消退，并且能够可靠地确定相电流。自确定的输出起，对于相电流确定来说，开关闭合过短，因为振荡尚未消退。因此，自确定的输出起，不再能够进行相电流确定，由此限制输出。

出版物HUO，Bin； FLINT，Tom； MOYNIHAN，Finbarr。Improved single currentsensing method and its realization based on ADMCF341 DSP Controller。Analog Devices Technical Paper，1995提供了对这一问题的了解。

发明内容

本发明的任务在于，在确定相电流时借助于电流测量电阻补偿测量失败，以便实现所述相电流的使用。

本发明涉及一种用于确定逆变器的相电流的方法。在该方法中设置，重复地通过逆变器借助于脉冲宽度调制来调制施加在逆变器的直流电压总线处的输入直流电压，以便生成多相电流，该多相电流包括具有相应的相电流的至少三个相。换言之，通过逆变器通过脉冲宽度调制提供多相电流。多相电流具有至少三个相，所述相具有相应的相电流。为了能够提供相电流，设置，通过逆变器执行脉冲宽度调制，以便在调制序列期间提供相应的相电流。在这种情况下，在相应的调制序列中能够为相应的相调节相应的占空比。设置，在逆变器的多相总线处输出多相电流。换言之，逆变器具有多相总线，在该多相总线处提供相电流。在该方法内，在脉冲宽度调制的调制周期内通过逆变器的电流测量设备测量至少两个相电流值。换言之，在调制周期内通过电流测量设备测量至少两个相电流的相应的相电流值。通过控制单元由至少两个相电流值确定至少三个相电流。换言之，由至少两个相电流的测量的相电流值重建至少三个相电流。在此，例如，由至少两个相电流的相电流值借助于预定的关系能够计算至少三个相电流中的第三个相电流。设置，通过控制单元借助于预定的数学模型基于在前的至少一个调制周期的相电流确定相应的替换相电流值，其中，在确定对调制周期的相电流值中的至少两个相电流值的测量有误时，将相应的替换相电流值配属于相应的相电流。换言之，通过控制单元对于相应的调制周期为至少三个相电流确定相应的替换相电流值，其中，根据数学模型进行确定。数学模型能够基于先前的调制周期的相电流生成，或者先前的调制周期的相电流能够用作用于数学模型的输入值，以便计算用于调制周期的替换相电流值。数学模型能够具有例如内推法和/或外推函数。如开头所述，有误的测量能够利用现有技术中的工具来识别。

通过本发明得出如下优点：对于有误的测量的情况，能够利用替换相电流值，由此作为替代能够在调节方法中使用相电流值。由此，虽然发生测量失败，仍能够通过相电流进行调节。

本发明也包括扩展方案，通过所述扩展方案得出其他优点。

本发明的一种扩展方案设置，通过作为电流测量设备的电流测量电阻测量相应的相电流值。换言之，电流测量设备具有至少一个电流测量电阻，其用于确定相电流。通过所述扩展方案得出如下优点：通过构件能够检测相电流，该构件的成本例如比霍尔探针的成本低。例如能够设置，借助于所谓的分流器确定相电流，其中，分流器处的电压降与流经分流器的电流成正比。通过检测电压降能够求取流经电流测量电阻的电流。

本发明的一种扩展方案设置，在直流电压总线处通过电流测量设备测量相应的相电流值。换言之，设置，通过对流经逆变器的直流电压总线的电流进行电流测量来检测相电流值。因此，在所谓的单分流器布置中进行所述测量。通过所述扩展方案得出如下优点：为了确定相电流，只需要一个电流测量设备。

本发明的一种扩展方案设置，在相应的相位的相应的半桥处通过电流测量设备测量相应的相电流值。换言之，设置，在相位的相应的半桥处测量相应的相电流值。例如能够设置，在相应的半桥的一侧处分别布置有电流测量电阻，以便在开关在半桥的一侧上导电时测量相应的相位的相电流值。能够设置，至少两个半桥具有电流测量电阻。

本发明的一种扩展方案设置，数学模型包括参数化的机器模型。换言之，借助于描述电动机的模型确定替换相电流值。能够设置，估计方法包括机器的软件模型，该软件模型能够对替换相电流值进行推导。由此得出如下优点：通过对电动机进行建模能够确定替换相电流值。

本发明的一种扩展方案设置，数学模型包括卡尔曼滤波器。换言之，通过控制单元使用在前的调制序列的相电流，以便创建或者更新卡尔曼滤波器。例如能够设置，相电流能够是状态矢量。卡尔曼滤波器的动态矩阵能够描述电动机。通过测量矩阵能够给出相电流值的可测量性，其中，如果所有相电流值都能够被测量，这个测量矩阵能够是单元矩阵。如果出现测量失败，则矩阵的分配给相电流的值能够具有值0。如果相电流值都不能够被测量，则测量矩阵仅具有值0。替换相电流值能够是预测的相电流值，通过卡尔曼滤波器能够为调制序列确定所述预测的相电流值。通过所述扩展方案得出如下优点：实现对替换相电流值的实时确定。

本发明也包括一种设备，其设置用于执行用于确定逆变器的相电流的方法。该设备的逆变器设置用于借助于脉冲宽度调制来调制施加在逆变器的直流电压总线处的输入直流电压，以便生成多相电流并且在逆变器的多相总线处输出多相电流，该多相电流包括具有相应的相电流的至少三个相。该设备具有电流测量设备，该电流测量设备设置用于在脉冲宽度调制的调制周期内测量至少两个相电流值。该设备的控制单元设置用于由至少两个相电流值计算至少三个相电流。设置，控制单元设置用于借助于预定的数学模型基于在前的至少一个调制周期的相电流确定相应的替换相电流值，并且在确定对调制周期的相电流值中的至少两个相电流值的测量有误时，将相应的替换相电流值配属于相应的相电流。

该设备例如能够设置用于调节多相电动机。该控制单元例如能够具有微控制器和/或微处理器。

本发明也包括一种具有所说明的设备的车辆。所述车辆例如能够是电运行的车辆或者混合动力车辆。

本发明也包括根据本发明的设备的和根据本发明的车辆的扩展方案，所述扩展方案具有如已经结合根据本发明的方法的扩展方案说明的特征。出于这个原因，在这里不再次说明根据本发明的设备的和根据本发明的车辆的对应的扩展方案。

本发明也包括所说明的实施方式的特征的组合。

附图说明

在下文中说明本发明的实施例。为此示出：

图1逆变器；

图2在包含用于重建逆变器的相电流的方法的情况下对电动机的调节；

图3 Id分量的可能的曲线；

图4 Iq分量的可能的曲线；

图5测量矩阵的组元的可能的曲线。

具体实施方式

在下文中阐述的实施例是本发明的一种优选的实施方式。在本实施例中，本实施方式的所说明的部件分别是本发明的单个的应彼此独立地看待的特征，所述特征分别也彼此独立地扩展本发明并且因此也能够单独地或者以与示出的组合不同的组合被看作本发明的组成部分。另外，所说明的实施方式也能够通过本发明的其他的已经说明的特征来补充。

在附图中，功能相同的元件分别设有相同的附图标记。

图1示出逆变器。设备2的逆变器1能够具有直流电压总线3，该直流电压总线能够与直流电源4导电地连接，逆变器1能够设置用于在多相总线5处提供多相电流I2。多相电流I2能够设置用于运行电动机6。为了这个目的，多相总线5能够与电动机6导电地连接。多相电流I2能够具有至少三个相U、V、W，所述相能够具有相应的相电流IU、IV、IW。相U、V、W中的每个相能够配属有逆变器1中的相应的半桥BU、BV、BW。相应的半桥BU、BV、BW能够分别具有两个开关S。相应的相的线路能够经由开关S与正输入电势DC+或者负输入电势DC-连接。为了提供多相电流I2能够设置，接通半桥BU、BV、BW的开关S，以便在相U、V、W的线路处提供经脉冲宽度调制的电压。由此，通过确定调制序列的相应的占空比能够提供相电流IU、IV、IW。为了能够确定相应的相电流IU、IV、IW，设备2能够具有电流测量设备7，该电流测量设备能够设置用于通过在电流测量设备7的电流测量电阻8处的电压降来测量电流。电流测量电阻8能够是所谓的分流器。能够设置，借助于多分流配置在半桥BU、BV、BW中的至少两个半桥处进行测量，其中，相应的电流测量电阻8能够布置在相应的半桥BU、BV、BW的一侧上。因此，能够测量半桥中的相电流值IU1、IV1、IW1。替代于此地，能够设置，电流测量设备7仅具有一个电流测量电阻8，该电流测量电阻布置在直流电压总线3的上游，以便在那里在调制序列内检测相应的相电流值IU1、IV1、IW1。设备2能够具有控制单元9，该控制单元能够设置用于由相电流值IU1、IV1、IW1确定相应的相电流IU、IV、IW。控制单元9能够设置用于操控逆变器1，以便调节相电流IU、IV、IW。控制单元9能够设置用于借助于数学模型来确定替换相电流值IU2、IV2、IW2，该数学模型能够包括电动机6的机器模型和卡尔曼滤波器。替换相电流值IU2、IV2、IW2能够是预测的值，所述预测的值能够通过用于调制序列的数学模型确定。能够设置，控制单元9由在前的调制序列的相电流值IU1、IV1、IW1更新卡尔曼滤波器。在测量失败的情况下，控制单元能够使用替换相电流值IU2、IV2、IW2，而不使用相电流值IU1、IV1、IW1，以便确定相电流IU、IV、IW，以便因此能够实现不间断的调节。

图2示出用于在电动机的调节的框架中确定相电流的方法的应用。该电动机的调节能够是面向场的调节，在该面向场的调节中，能够借助于Id分量Id和Iq分量Iq来调节电动机6。Id分量能够沿电动机6的磁通量的方向，Iq分量能够垂直于Id分量。Id分量和Iq分量能够通过调节单元10调节为相应的参考值Idref和Iqref，其中，例如能够是PI调节器。所述电动机能够检测并且传送转子位置角度th。Id分量和Iq分量能够在变换单元11中变换为相电流IU、IV、IW。为了提供相电流IU、IV、IW，脉冲模式调节单元12能够通过预规定在调制相位中的占空比d来控制逆变器1，以便这个逆变器能够为电机6提供相电流IU、IV、IW。能够通过控制单元9由相电流值IU1、IV1、IW1计算相电流IU、IV、IW。

附图示出面向场的调节的方框图。本发明的两个重要的方框是测量分析利用单元14和卡尔曼滤波器算法13的方框。在此，这是在d/q平面中的实施例。一般来说，卡尔曼滤波器能够在不同的域（例如UVW等等）中实施。在此，相数量也不仅限于三个。剩余的方框是被证明的并且已公开的用于调节和操控电机的方法。对于面向场的调节而言根本的是，测量相电流IU、IV、IW。在这里使用的垂足测量基于以下事实：当低功率半导体导电时，相电流对应于这个流经低功率半导体的电流。在此产生的在分流器上的电压降被放大，并且计算相电流。因此，相电流测量直接取决于对逆变器的操控和与之相关的开关序列。在附图中的测量分析利用单元14的方框识别自哪个操控程度起不再能够测量三个相电流中的一个相电流并且通过所有相电流的零和来计算这个操控程度。如果不能够明确地重建测量信号，例如由于在两个相位中的测量失败，则对应地更新测量矩阵H。测量矩阵H在此显示哪些相电流IU、IV、IW能够被测量。如果所有相电流IU、IV、IW都能够被测量，则测量矩阵H在此能够是单元矩阵。如果多于一个的相电流不能够被测量，则测量矩阵H对应地被零填满（根据实施变型，替代的填满也是可能的）。当电压利用或者逆变器输出（Wechselrichteraussteuerung）高时，出现这个情况，该情况在下文中被称为测量失败。当超过输出的预定值、即占空比d时，能够存在测量失败。卡尔曼滤波器算法13的方框包含参数化的机器模型和卡尔曼滤波器。这个方框基本上能够估计受测量失败影响的相电流。因此，卡尔曼滤波器是在进行垂足测量时用于高效的面向场的调节的不可缺少的部分。

通过使用卡尔曼滤波器能够实现与在利用霍尔传感器进行电流测量时相同的电压利用，即尽管用于分流器传感装置的成本更小，但是功率密度相同。

6相电机的示例计算：

霍尔传感装置的成本：总制造成本（TMC）的4.56%

分流器传感装置的成本：TMC的2.73%。

图3示出Id分量的可能的曲线。Id分量能够在时间t上沿着曲线伸展，并且在出现测量误差时具有偏移。使用卡尔曼滤波器能够实现在识别测量误差时使用替换相电流值IU2、IV2、IW2，而不使用相电流值IU1、IV1、IW1。由此，在确定Id分量时，不再产生偏移。

图4示出Iq分量的可能的曲线。Iq分量能够在时间t上沿着曲线伸展，并且在出现测量误差时具有偏移。使用卡尔曼滤波器能够实现在识别测量误差时使用替换相电流值IU2、IV2、IW2，而不使用相电流值IU1、IV1、IW1。由此，在确定Iq分量时，不再产生偏移。

图5示出测量矩阵的组元的可能的曲线。测量矩阵H的组元H11能够配属于相电流中的一个相电流。如果能够测量配属的相电流值，则组元H11能够具有值1。能够设置，在出现测量误差的情况下，不能够测量配属的相电流值。在这种情况下，组元H11的值能够设置为0。可能的是，同样不能够测量相电流值IU1、IV1、IW1中的另一个相电流值，因此不能够由相电流值IU1、IV1、IW1重建相电流。在这种情况下，能够需要通过替换相电流值IU2、IV2、IW2确定相电流IU、IV、IW。

总而言之，示例示出通过本发明能够如何补偿测量失败。

Claims (8)

1.用于确定逆变器（1）的相电流（IU、IV、IW）的方法，其中，重复地，

- 通过所述逆变器（1）借助于脉冲宽度调制来调制施加在所述逆变器（1）的直流电压总线（3）处的输入直流电压（UDC），以便生成多相电流（I2），所述多相电流包括具有相应的相电流（IU、IV、IW）的至少三个相（U、V、W），

- 在所述逆变器（1）的多相总线（5）处输出所述多相电流（I2），

- 在所述脉冲宽度调制的调制周期内通过所述逆变器（1）的电流测量设备（7）测量至少两个相电流值（IU1、IV1、IW1），

- 通过控制单元（9）由所述至少两个相电流值（IU1、IV1、IW1）确定所述至少三个相电流（IU、IV、IW），

其特征在于，

- 通过所述控制单元（9）借助于预定的数学模型基于在前的至少一个调制周期的相电流（IU、IV、IW）确定相应的替换相电流值（IU2、IV2、IW2），其中，

- 在确定对调制周期的相电流值（IU1、IV1、IW1）中的至少两个相电流值的测量有误时，将相应的替换相电流值（IU2、IV2、IW2）配属于相应的相电流（IU、IV、IW）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述电流测量设备（7）的电流测量电阻（8）测量相应的相电流值（IU1、IV1、IW1）。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，在所述直流电压总线（3）处通过所述电流测量设备（7）测量相应的相电流值（IU1、IV1、IW1）。

4.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，在相应的相位的相应的半桥（BU、BV、BW）处通过所述电流测量设备（7）测量相应的相电流值（IU1、IV1、IW1）。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述数学模型包括参数化的机器模型。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述数学模型包括卡尔曼滤波器。

7.设备（2），其设置用于执行根据上述权利要求中任一项所述的用于确定逆变器（1）的相电流（IU、IV、IW）的方法，

其中，

- 所述逆变器（1）设置用于借助于脉冲宽度调制来调制施加在所述逆变器（1）的直流电压总线（3）处的输入直流电压（UDC），以便生成多相电流（I2）并且在所述逆变器（1）的多相总线（5）处输出所述多相电流（I2），所述多相电流包括具有相应的相电流（IU、IV、IW）的至少三个相（U、V、W），

- 所述设备（2）具有电流测量设备（7），所述电流测量设备设置用于在所述脉冲宽度调制的调制周期内测量至少两个相电流值（IU1、IV1、IW1），

- 所述设备（2）具有控制单元（9），所述控制单元设置用于由所述至少两个相电流值（IU1、IV1、IW1）确定所述至少三个相电流（IU、IV、IW），

其特征在于，

所述控制单元（7）设置用于

- 借助于预定的数学模型基于在前的至少一个调制周期的相电流（IU、IV、IW）确定相应的替换相电流值（IU2、IV2、IW2），其中，

- 在确定对调制周期的相电流值（IU1、IV1、IW1）中的至少两个相电流值的测量有误时，将相应的替换相电流值（IU2、IV2、IW2）配属于相应的相电流（IU、IV、IW）。

8.具有根据权利要求7所述的设备的车辆。

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