CN117916114A - 用于操控变流器的控制装置和方法以及电驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机(2)的扩展操控方案。尤其设置的是，如果在电机(2)上应当设定仅较低的扭矩或较低的相电流，则有目的性地变换到空转状态中。此外，为了变换到空转状态中，还将电机(2)的当前转速一同考虑在内。

Description

用于操控变流器的控制装置和方法以及电驱动系统

技术领域

本发明涉及一种用于操控变流器、尤其是电驱动系统中的变流器的控制装置以及方法。本发明还涉及一种电驱动系统。

背景技术

电驱动系统通常包括由电能源馈电的电机。在这种情况下，在能量源和电机之间设置变流器，该变流器根据目标值预设来操控电机。例如，通过对变流器中的开关元件进行脉冲宽度调制操控，能够将电能源提供的直流电压转换成单相或多相的交流电压，该交流电压适合于根据目标值预设来操控电机。通过改变脉冲宽度调制的占空比，能够设定电压转换器的输出端处的电压水平。

此外，变流器还能够设定所谓的主动短路，其中电机的相接头通过变流器的开关元件彼此短路。此外，存在所谓的空转状态，在空转状态中，变流器的所有开关元件都断开。

出版物DE 102013226560 A1描述了电机从空转运行到主动短路的变换。在这里提出的是延迟从空转到主动短路的变换，直到在电机的外部端子处出现预设的电压关系。

发明内容

本发明提供了一种具有独立权利要求的特征的用于操控变流器、尤其电驱动系统中的变流器的控制装置和方法以及电驱动系统。其他的有利实施方式是从属权利要求的主题。

据此设置的是：

一种用于操控电驱动系统中的变流器的控制装置。控制装置设计用于检测用于操控变流器的目标值和/或实际值。控制装置还设计用于求取驱动系统的电机的转速或电频率。此外，控制装置设计用于，如果检测到的用于操控变流器的目标值和/或实际值低于预设的第一阈值并且求取的电机的转速或电频率低于预设的极限值，则在变流器中激活空转状态。

此外，设置的是：

一种电驱动系统，其具有电机、变流器和根据本发明的控制装置。变流器设计用于与该电机和电能源连接。此外，变流器设计用于使用目标值预设来操控电机。

最后，设置的是：

一种用于操控电驱动系统中的变流器的方法。该方法包括用于检测用于操控变流器的目标值和/或实际值的步骤。此外，该方法包括用于求取驱动系统的电机的转速和/或电频率的步骤。最后，该方法包括用于在变流器中激活空转状态的步骤。特别地，如果检测到的用于操控变流器的目标值和/或实际值低于预设的第一阈值并且求取的电机的转速或电频率低于预设的极限值，则激活空转状态。

本发明的优点：

本发明基于下述认知：用于电驱动系统的变流器的调节系统通常在两个开关状态之间变换，以用于设定所谓的零矢量、即用于设定零安培(A)的电流或者零牛顿米(Nm)的扭矩，其中在第一开关状态中，变流器的上半桥的开关元件闭合；并且在第二开关状态中，变流器的下半桥的开关元件闭合。在这种情况下，两种开关状态都对应于所连接的电机的相接头的主动短路。

当在两种开关状态之间变换时，变流器中涉及的开关元件相应地完成切换过程。特别地，从电磁兼容性的角度来看，上半桥和下半桥中的所有开关元件同时切换在此意味着相对较高的负载，此外，在这些切换过程中会在高压侧上引起切换损耗，以及在电机中引起调节电流损耗。此外，在通过驱动级操控功率电子器件以用于操控半导体开关元件以及生成必需的控制信号时，也预期会发生损耗。

因此，本发明的构想是考虑到该认知并且将下述切换过程减少到最少，在该切换过程中在驱动系统中的变流器的上半桥或下半桥的所有开关元件同时或近似同时地切换。

为此，根据本发明设置的是，对用于运行电驱动系统的、尤其用于操控这种驱动系统中的变流器的目标值和/或实际值进行监控并且对运行状态进行识别，在该运行状态中预期会在变流器中的上半桥或下半桥的所有开关元件同时或至少近似同时地切换。在这种情况下，能够有目的性地设定空转状态。在这种空转状态下，变流器的所有开关元件都断开。由此，电流流动在最佳情况下能够通过与变流器中的开关元件并联的空转二极管来完成。

作为针对变换到空转状态的条件，原则上能够首先对能够导致变流器的上半桥或下半桥中的开关元件的同时切换的每个目标值预设进行评估。例如，这些目标值预设能够用于设定0Nm的扭矩或低于预设上限一定量的扭矩。替代地，目标值预设还能够包括针对电流的、尤其电机的相接头处的相电流的目标值预设。例如，如果作为相电流预设0A或低于预设极限值一定量的电流，则能够考虑变换到空转状态。此外，导致同时操控变流器的上半桥或下半桥中的开关元件的任何其他的目标值预设当然也是可行的。

除了考虑目标值预设之外，针对操控变流器中的开关元件还能够附加地或替代地将电驱动系统、尤其变流器中的运行状态的实际值一同考虑在内。例如，能够以传感方式来检测和评估变流器和电机之间的相接头处的电流。如果相电流的量低于预设的阈值，则同样能够将其视为同时或至少近似同时地操控变流器的上半桥或下半桥中的开关元件的提示。另外，还能够直接考虑用于变流器中的开关元件的操控信号或者使用被用来生成用于操控开关元件的操控信号的数据。

除了前面描述的目标值和/或实际值之外，还附加地考虑电机的转速或电频率。例如，只有在电机处于静止或转速低于预设的极限值时才能够激活向空转的变换。一方面，该极限值能够限制到接近于零点的相对较低的速度。此外，也能够针对较高的转速实现变换到空转。特别地，只要通过电机的旋转产生的电压小于由给变流器馈电的电能源提供的电压，就也能够针对较高的转速实现变换到空转。通过这种方式，能够避免电机的经由电开关元件的空转二极管朝向电能源的方向的反向电流流动。

根据一种实施方式，目标值包括电机中的电流的目标值预设。特别地，目标值预设能够包括针对电机的相接头处的相电流的预设。附加地或替代地，目标值预设还能够包括针对在电机上待设定的扭矩的预设。因此，如果根据目标值预设待设定的电流的量低于预设的阈值，或者在电机上待设定的扭矩的量低于预设的阈值，则能够设置变换到空转状态。在这些情况下能够预期的是，对于设定0A或至少接近0A的电流或者0Nm或至少接近0Nm的扭矩，同时或者至少近似同时地操控上半桥或下半桥中的变流器中的开关元件。

根据一种实施例，要考虑的实际值包括电机的测量的电流。例如，能够借助合适的传感器来检测变流器和电机的相接头之间的相电流。附加地或替代地，变流器中的开关元件的切换信号也能够考虑作为实际值。例如，能够对开关元件的操控信号的时间点进行评估，以便识别变流器的上半桥或下半桥中的开关元件的同时或至少近似同时的切换。

根据一种实施方式，控制装置设计用于从外部的控制装置接收至少一个另外的控制信号。在这种情况下，控制装置能够设计用于，使用从外部的控制装置接收的控制信号来激活或者在必要时也停用空转状态。外部的控制信号能够包括对判定是否应该或允许激活空转状态有影响的任意的外部的控制信号。例如，外部的控制信号能够包括外部的控制装置的故障信息，其中外部控制装置监控变流器或整个电驱动系统。特别地，通过这种附加控制信号还能够表明接收的目标值和/或实际值是否具有足够的可靠性。例如，如果确定电流传感器具有故障，则能够发出信号，以便在针对变换到空转进行判定时不使用这种有故障的电流传感器的值。此外，例如表明在当前运行状态下是否允许或能够变换到空转状态的任何其他的外部的控制信号也是可行的。在必要时，通过外部的控制装置的控制信号也能够发出明确期望或禁止变换到空转状态的信号。

根据一种实施方式，控制装置设计用于，在前面提及的针对变换到空转状态的条件至少在预设的时间段内满足时，激活空转状态。因此，控制装置例如能够在检测到的用于操控变流器的目标值和/或实际值至少在预设的时间段内已低于预设的第一阈值并且求取的电机的转速和电频率至少在预设的时间段内已低于预设的最大极限值之后，才变换到空转状态。通过这种方式能够尤其在临界区域中防止或至少减少在例如具有脉冲宽度调制操控的正常运行模式与空转状态之间的频繁变换。

根据一种实施方式，控制装置设计用于，在空转状态被激活时停用对驱动系统中的电机的电流的调节。通过在激活的空转状态期间停用电流调节能够防止电流调节器的状态在空转状态期间出现偏差(abdriften)。替代地，如果要离开空转状态，也能够调回调节器。

根据一种实施方式，控制装置设计用于，如果用于操控变流器的目标值超过预设的第二阈值或者求取的电机的转速或电频率超过预设的极限值，则停用被激活的空转状态。通过这种方式，在激活空转状态之后，能够再变换回到例如利用变流器中的开关元件的脉冲宽度调制操控的正常运行模式。例如，能够在用于激活空转状态的第一阈值和用于停用空转状态的第二阈值之间设置迟滞。附加地或替代地，还能够为与转速或电频率相关联的极限值设置迟滞。通过这种方式，能够尤其在临界情况下避免正常运行模式和空转状态之间过于频繁的变换。

根据一种实施方式，控制装置设计用于，使用变流器的输入直流电压来确定针对转速或电频率的极限值。针对转速的极限值例如能够如此确定，使得只有在空转期间由于由电机感应的电压而在直流电压侧不存在高于输入直流电压的电压时才激活空转状态。特别地，除了输入直流电压之外，还能够一同考虑电机中的励磁电流。针对最大转速或电频率的极限值例如能够预先确定为与输入直流电压和电机的转子温度相关的特性曲线并且存储在控制装置的存储器中。此外，用于确定针对电机的最大转速的极限值的任何其他的标准当然是可行的。

前述设计方案和改型方案在合理的情况下能够任意相互结合。本发明其他可行的设计方案、改型方案和实施方案也包括本发明的在前面或下文中关于实施例所描述的特征的未明确提及的组合。在此特别地，本领域的技术人员也能够将单个方面作为改进方案或补充方案添加到本发明的相应的基本形式中。

附图说明

下面根据附图对本发明的其他特征和优点进行阐述。其中：

图1示出具有根据一种实施方式的控制装置的电驱动系统的原理电路图的示意图；

图2示出用于表明变流器中开关元件的开关时间点的时序图的示意图；

图3示出根据一种实施方式的针对空转状态的激活区域的示意图；并且

图4示出根据一种实施方式的用于操控变流器的方法所基于的流程图。

在附图中，除非作出相反表达，相同的附图标记表示相同或功能相同的部件。

具体实施方式

图1示出了针对根据一种实施方式的电驱动系统的原理电路图的示意图。该驱动系统包括变流器1和电机2。在这里，变流器1的输出端处的接头与电机2的相接头U、V、W连接。这里示出的实施例是三相的电机2，其相应地由三相的逆变器1馈电。此外，具有不同于三个的相数的电驱动系统当然也是可行的。

电驱动系统、尤其变流器1由电能源3馈电，尤其由例如电动车辆的牵引电池那样的直流电压源馈电。在输入侧上，能够在变流器1中设置所谓的中间电路电容器C。

对于每个电相，变流器1分别包括所谓的半桥，其具有两个开关元件。这里示出的实施例中，变流器1由此具有带有开关元件M1至M6的三个半桥。在这种情况下，与直流电压源3的第一接头(例如正极)连接的开关元件M1、M3、M5能够称为上部开关元件，而与电能源3的另外的接头(例如负极)连接的开关元件M2、M4、M6能够称为下部开关元件。

为了操控电机2，变流器1中的开关元件M1至M6分别以受控的方式断开和闭合。为此，变流器1的控制装置10能够向开关元件M1至M6分别提供操控信号。为此，例如能够以脉冲宽度调制(英文：pulse widthmodulation，PWM)的方式来实现对各个开关元件M1至M6的操控。通常在这种脉冲宽度调制操控期间，或是上部开关元件M1、M3、M5分别断开并且分别对应的下部开关元件M2、M4、M6闭合，或是互补地，上部开关元件M1、M3、M5分别断开并且分别对应的下部开关元件M2、M4、M6闭合。在这种情况下，在针对上部开关元件的开关过程与针对相对应的下部开关元件的开关过程之间分别设置所谓的死区时间。

在控制装置10上能够预设例如一个或多个目标值S。这些目标值S例如能够包括在电机上待设定的扭矩、电机2的期望转速、电机2的相电流的目标值或任意其他目标值预设。在必要时，在控制装置10上还能够提供附加的其他信号Z。此外，从变流器1到电机2的电流能够借助于合适的电流传感器11来检测，并且这些电流传感器11的传感器信号同样能够提供给控制装置10。此外，在必要时也能够借助于合适的传感器12来检测转子的角位置或电机2的转速，并且该传感器11的传感器值同样能够提供给控制装置10。

基于目标值预设S以及在必要时提供的其他传感器值或预设，控制装置10能够生成用于开关元件M1至M6的合适的操控信号并将它们提供给相应的开关元件M1至M6。

如果没有给电机2提供扭矩，也就是说目标值是0Nm，或者如果电机2的相电流被设定到0A，则控制装置10能够分别同时闭合或是所有上部开关元件M1、M3、M5或是所有下部开关元件M2、M4、M6，并且由此将电机2的相接头彼此连接。这种状态也称为主动短路。在这种情况下，控制装置10能够交替地闭合上部开关元件M1、M3、M5或者下部开关元件M2、M4、M6，并且在此分别断开相应另外的开关元件。

为了防止开关元件M1至M6的这种交替地断开和闭合，控制装置10能够检测这种运行状态，随后断开全部的开关元件M1至M6。这种情况称为空转。

为此，控制装置10例如能够监控目标值预设S，并且通过对所接收的目标值预设S进行分析来探测下述运行状态，在该运行状态中应当在所有半桥中分别同时或至少近似同时地闭合或是上部开关元件M1、M3、M5或是下部开关元件M2、M4。M6。如前所述，这能够是0Nm的待设定扭矩的预设。另外，在必要时也能够将针对扭矩的目标值预设一同考虑在内，其中待设定的扭矩的量低于预设的阈值。同样地，也能够对从变流器1的输出端到电机2的待设定电流的目标值预设进行分析。如果从变流器1到电机2的相中的待设定电流的量或幅值低于预设的阈值，则这也能够视为上半桥的开关元件M1、M3、M5以及下半桥的开关元件M2、M4、M6分别同时或至少近似同时地切换的迹象。此外，任何其他的目标值预设当然也是可行的，由它们能够得出，上半桥的开关元件M1、M3、M5和下半桥的开关元件M2、M4、M6同时或至少近似同时地切换。在这里，“至少近似同时地切换”这个概念是指上半桥中的开关元件M1、M3、M5的开关过程以及下半桥中的开关元件M2、M4；M5的开关过程能够在预设的时间段内切换。

除了考虑目标值预设S来查明上半桥中的开关元件M1、M3、M5和下半桥中的开关元件M2、M4、M6是否分别同时或至少近似同时地切换之外，还能够考虑合适的实际值。为此，例如能够对变流器1和电机2之间的电流的测量值进行评估。如果该电流的量或幅值低于预设的阈值，则例如还能够由此推断出变流器中的相应开关元件M1至M6同时或至少近似同时地切换。此外，还能够直接地评估用于操控开关元件M1至M6的操控信号或者利用被用来生成这些操控信号的数据或信号。不言而喻，当然也能够使用适合于表征变流器1的各个开关元件M1至M6的开关特性的任何其他合适的测量值或信号。

除了前面描述的用于表征变流器1的开关元件M1至M6的开关特性的目标值或实际值的评估之外，为了判定是否应当操控开关元件M1至M6用于空转，还能够附加地考虑电机2的转速或者电机2的电频率。例如，只有当除了前面提及的针对目标值或实际值的条件之外、电机2的转速也低于预设的极限值时，才能够允许变换到空转。以这种方式，只有在电机2静止或仅以低转速转动时才能够例如设定空转。替代地，只要旋转的电机2以当前转速在电机的输出端处不产生以下电压，该电压通过变流器1中的空转二极管在变流器1的输入侧处产生高于由电能源3所提供的电压，则也能够实现变换到空转中。

为此，例如能够指定电机2的固定的最大转速。替代地，还能够动态地调整针对电机2的最大允许转速的上限。例如，最大允许转速的上限能够根据变流器1的输入端处的或中间电路电容器C处的电压水平进行调整。此外，还能够考虑其他参数、例如电机2中的励磁流、电机2中的转子温度或类似参数。在这里，仍能够变换到空转的最大转速的上限能够借助于合适的数学公式或者算法来进行计算。替代地，也能够预先计算特性曲线并将该特性曲线存储在控制装置10的存储器(未被示出)中。

在满足前面提及的条件之后，即转速低于电机转速的预设的上限并且基于目标值和/或实际值已探测到上半桥的开关元件M1、M3、M5或下半桥的开关元件M2、M4、M6同时或至少近似同时地切换，能够接着在变流器1中设定空转状态，在该空转状态中所有的开关元件M1至M6都断开。

例如，能够借助转速传感器12以传感的方式检测电机的转速。附加地或替代地，转速或电频率也能够从控制参数或调节参数推导或算出。

在空转状态期间，控制装置10中的电流调节停用。换句话说，只要设定了空转状态，扭矩或者相电流的目标值预设以及相电流的实际值之间的调节回路就会被禁用。通过这种方式能够防止调节器状态在空转期间出现偏差。

除了用于激活变流器1中的空转状态的前面提及的条件之外，在必要时还能够将用于激活或停用空转状态的另外的参数或信号Z一同考虑在内。例如，能够给控制装置10提供关于可能的功能故障的附加的信号。这种信号Z例如能够发出电驱动系统内的功能故障信号、尤其是电驱动系统的一个或多个部件内的功能故障信号。例如，如果在电流传感器11之一中探测到功能故障，则随后能够不再考虑该电流传感器11的数据。在必要时，能够根据功能故障的信号Z完全地阻止变换到空转状态。

另外也能够实现的是下述信号Z，该信号在控制装置10上表明驱动系统是否处于能够变换到空转状态的状态中。此外，还能够在控制装置10上提供信号，外部的控制装置通过该信号来发送当前期望空转状态的信号。

在必要时还能够首先将向空转状态的转变延迟预设的时间段。以这种方式，例如能够确保避免尤其在临界情况下在具有脉冲宽度调制操控的正常运行模式与空转之间的频繁变换。

如果在变换到空转之后不再满足前面描述的条件，即应当在电机上设定较大的扭矩或者在变流器1和电机2之间流动较大的电流，则能够停用空转状态。随后，像空转之前那样，对开关元件M1至M6进行正常的脉冲宽度调制操控。为此，能够在空转期间监控目标值预设S、例如针对在变流器1和电机2之间的扭矩或待设定的电流的预设。此外，还对电机2的转速进行监控，以便探测电机2的转速在空转期间是否增加并且因此不再满足空转的条件。

为了避免在空转和正常运行状态之间急速地变换，例如能够在用于变换到空转的极限值与用于从空转变换到正常运行模式的极限值之间设置迟滞。

不言而喻，必须足够快地对激活或停用空转的条件进行监控，以便不遭受扭矩动态方面的损失。例如，能够在1毫秒(ms)、2ms或10ms的时间范围内针对空转的激活或停用进行相应的检查。

图2示出了用于操控或切换三相变流器中的上半桥的开关元件M1、M3、M5的时序图的示意图。在考虑到预设的死区时间的情况下，下半桥的互补的开关元件M2、M4、M6以互补方式切换。在这里能够看到，为了将扭矩设定在大约0Nm的范围内并且为了将与之对应的相电流设定在大约0A，上半桥的所有开关元件M1、M3、M5同时或者至少近似同时地在Δt的容差范围内切换。因此，电机2的所有相接头通过上部开关元件M1、M3、M5或下部开关元件M2、M4、M6彼此电连接。在这种情况下，根据本发明能够从在断开和闭合开关元件M1至M6之间周期性变换的主动操控变换到所有开关元件M1至M6永久断开的空转状态。

图3示出了针对空转的与转速n和扭矩M相关的可能激活范围A或B的示意图。如图3中能够看到的，一方面能够仅在相对较窄的转速范围A内激活空转。在这种情况下，只有在待设定的扭矩M的量低于预设的阈值并且此外电机2的当前转速n也近似是零时才激活空转。替代地，也能够在更大的转速范围内激活空转，如激活区域B所示。在这种情况下，向空转的变换能够几乎延伸到基本转速范围的极限，如图3中虚线所示。

图4示出了根据一种实施方式的用于操控变流器的方法所基于的流程图。该方法原则上包括前面与电驱动系统和包含在其中的变流器1连同控制装置10相关联所描述的任何步骤。

在步骤S1中，对用于操控变流器的至少一个目标值S和/或实际值进行检测。这能够是如前面已经描述的任何目标值或实际值。

在步骤S2中，求取该驱动系统中的电机的转速或电频率。

在步骤S3中，在变流器中激活空转状态。尤其在用于操控变流器的检测的目标值和/或检测到的实际值低于预设的第一阈值并且求取的电机的转速或电频率低于预设的极限值时，激活该空转状态。

综上所述，本发明涉及一种用于电机的扩展操控方案。尤其设置的是，如果在电机上应当设定仅较低的扭矩或较低的相电流，则有目的性地变换到空转状态。此外，对于变换到空转而言，还将电机的当前转速一同考虑在内。

Claims (10)

1.一种用于操控电驱动系统中的变流器(1)的控制装置(10)，其中，所述控制装置(10)设计用于：

检测用于操控所述变流器(1)的目标值(S)和/或实际值；

求取驱动系统的电机(2)的转速或电频率；并且

如果检测到的用于操控所述变流器(1)的目标值(S)和/或实际值低于预设的第一阈值并且求取的电机(2)的转速或电频率低于预设的最大极限值，则在所述变流器(1)中激活空转状态。

2.根据权利要求1所述的控制装置(10)，其中，所述目标值(S)包括用于所述电机(2)中的电流的和/或在所述电机(2)中待设定的扭矩的目标值预设。

3.根据权利要求1或2所述的控制装置(10)，其中，所述实际值包括所述电机(2)的电流和/或用于所述变流器(1)中的开关元件(M1-M6)的开关信号。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制装置(10)，其中，所述控制装置(10)设计用于从外部的控制装置接收至少一个另外的控制信号(Z)并且使用从外部的控制装置所接收的控制信号(Z)来设定空转状态。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制装置(10)，其中，所述控制装置(10)设计用于，在检测到的用于操控变流器(1)的目标值(S)和/或实际值在预设的至少一个时间段内低于预设的第一阈值之后，并且在求取的电机(2)的转速或电频率在预设的至少一个时间段内低于预设的最大极限值之后，激活空转状态。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制装置(10)，其中，所述控制装置(10)设计用于，在所述空转状态被激活时，停用对所述驱动系统中的电机(2)的电流的调节。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制装置(10)，其中，所述控制装置(10)设计用于，如果用于操控所述变流器的目标值超过预设的第二阈值或者求取的所述电机(2)的转速或电频率超过预设的极限值，则停用被激活的空转状态。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的控制装置(10)，其中，所述控制装置(10)设计用于，使用所述变流器的输入直流电压来确定针对转速或电频率的极限值。

9.一种电驱动系统，其具有：

电机(2)；

变流器(1)，所述变流器设计用于使用目标值预设(S)来操控电机(2)；以及

根据权利要求1至8中任一项所述的控制装置(10)。

10.一种用于操控电驱动系统中的变流器(1)的方法，所述方法具有下述步骤：

检测(S1)用于操控所述变流器(1)的目标值(S)和/或实际值；

求取(S2)驱动系统的电机(2)的转速或电频率；以及

如果检测到的用于操控所述变流器(1)的目标值(S)和/或实际值低于预设的第一阈值并且求取的所述电机(2)转速或电频率低于预设的极限值，则激活(S3)所述变流器(1)中的空转状态。