CN1537355A - 电动机驱动控制装置 - Google Patents

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CN1537355A CNA028151097A CN02815109A CN1537355A CN 1537355 A CN1537355 A CN 1537355A CN A028151097 A CNA028151097 A CN A028151097A CN 02815109 A CN02815109 A CN 02815109A CN 1537355 A CN1537355 A CN 1537355A
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�ٴ�����
佐藤荣次
社本纯和
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Abstract

电抗器(L1)的一端与电池(B1)的正极连接，另一端经晶体管(Q1)与电源线连接并经晶体管(Q2)接地。通过对晶体管(Q1、Q2)进行PWM控制，在该电源线上获得一任意提高的电压。可根据电动机驱动状态获得一最佳逆变器输入电压(电源线电压)，从而提高效率。这样，可根据电动机驱动状态使得逆变器输入电压最佳化。

Description

电动机驱动控制装置
技术领域
本发明涉及一种把直流电源的输出经逆变器供给电动机并控制该电动机的驱动的电动机驱动控制装置。
背景技术
通常，混合动力型车辆或电动车辆具有电动机，通过驱动该电动机实现车辆的行驶。因此需要有电池把电力供应给该电动机，为了把电力高效供应给一高输出电动机，通常使用数百伏的高压电池。另一方面，车辆中装有各种电力驱动组件(附件)，这些附件使用12V电池(低压电池)。因此使用一变压器把高压电池的高压输出降压到12V，以给低压电池充电。
此外，在该电动机的高转速区，反电动势大，这意味着，如果加到电动机上的电压低，高转速范围的最大转矩会变小。
在日本专利延迟公开平10-136570中，在电池与逆变器之间设置一变压器，使用该变压器把经升压的电压供给该逆变器。因此可从逆变器向电动机供应高压，并可提高电动机在高转速范围中的最大转矩。该公开还提出在从外部充电时使用一用作整流器的变压器。
上述公开因此示出使用变压器对电池电压进行升压后把经升压的电压供给电动机。但是，该公开只公开对供给电动机的电压进行升压，并未考虑用控制装置对升压操作进行控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种能根据电动机驱动状态使得逆变器输入电压最佳的电动机驱动控制装置。
本发明为一种用于把直流电源的输出经逆变器供给电动机并控制该电动机的驱动的电动机驱动控制装置，它包括：用于把该直流电源的输出电压变换以供给该逆变器的变压器(变换器)；以及用于通过对该逆变器进行PWM控制来控制供给该电动机的电流的控制部；该变压器包括其一端与该直流电源连接的电抗器和至少两个开关件——一上侧开关件连接该电抗器的另一端与该逆变器的电源侧，一下侧开关件连接到该逆变器的接地侧；其中，该控制部根据电动机转速和目标输出转矩计算适合于该电动机高效运转的逆变器输入电压目标值，并对该变压器开关件进行PWM控制以实现该输入电压目标值。
利用本发明，因为有该变压器，所以可把逆变器输入电压提高到超过电池电压。由于电动机输出为加到电动机上的电压和电动机电流的乘积，因此对于相同电动机输出可通过提高加到电动机上的电压来减小电动机电流。通过提高逆变器输入电压可减小逆变器电流容量，从而可使逆变器小型化并降低其成本。此外，由于通过提高加到电动机上的电压可提高电动机在高转速范围中的输出，结果可使电动机小型化并降低其成本。
特别是，使用本发明，可根据电动机转速和目标输出转矩(输出转矩指令)计算在任何给定时刻加到电动机上的最佳电压，并且根据该算出的最佳电压确定逆变器输入电压目标值。结果是，通过根据该时刻电动机运转状态施加最佳电压来使电动机高效运转。特别是，由于算出该最佳电压并控制这一电压，因此可防止效率由于电压上升到超过所需(必要)程度而下降。
此外，该变压器最好为装有三组电抗器和两个开关件的三相结构。使用这种结构，可使输出电压平滑，以抑制波动的出现。
此外最好是，在逆变器输入电压目标值比直流电源的电压低的情况下，导通(接通)变压器的上侧开关件而切断(关断)下侧开关件。当电动机低速转动时，为了高效驱动，逆变器的输入目标电压变成小于直流电源的电压。此时，在把变压器设定成最低驱动电压的同时导通变压器的上侧开关件和切断下部开关件，不产生任何开关损耗，从而实现高效驱动。
此外最好是变压器为一电池的两端和一电抗器的一端经两开关件连接的全桥构形。利用这种结构也可使直流电源输出降压，并总是使加到逆变器上的电压最佳。
此外最好是把用于向另一电动机供应电流的另一逆变器与变压器的输出连接，使控制部输出从这两电动机的转速和目标输出算出的两逆变器输入目标电压中较高的电压。利用两电动机系统，实现各个电动机最高效驱动的逆变器输入电压常常不同。当逆变器输入电压高时，只是开关损耗增加，但当输入电压低时，电动机电流也增加，电动机和逆变器的损耗都增加。这意味着，高压时效率较高。这样可通过选择两逆变器输入目标电压中较高的电压来提高整个效率。
当算出的逆变器输入目标电压超过一规定的上限值时，控制部最好把输入目标电压设为该上限值。
本发明还涉及一种用于两电动机系统的电动机驱动控制方法，两电动机系统包括：用于变换直流电源的输出电压的变压器，该变压器包括其一端与该直流电源连接的电抗器和至少两个开关件——一上侧开关件连接电抗器的另一端与一逆变器的电源侧，一下侧开关件连接到该逆变器的接地侧；两个用于接收该变压器的输出并把该输出转换成规定的交流电流的逆变器；和分别由该两个逆变器的交流电流驱动的两个电动机；其中，根据该两个电动机的转速和目标输出转矩分别计算出适合于该两个电动机高效运转的两个逆变器输入电压目标值，把两算出的逆变器输入电压目标值中较高的电压选作目标值，并对该变压器的开关件进行PWM控制。
本发明还提供一种用于两电动机系统的电动机驱动控制程序，两电动机系统包括：用于变换直流电源的输出电压的变压器，该变压器包括其一端与该直流电源连接的电抗器和至少两个开关件——一上侧开关件连接电抗器的另一端与一逆变器的电源侧，一下侧开关件连接到该逆变器的接地侧；两个用于接收该变压器的输出并把该输出转换成规定的交流电流的逆变器；分别由该两个逆变器的交流电流驱动的两个电动机；和用于控制该变压器的开关件的开关的控制部；其中，该控制部根据该两个电动机的转速和目标输出转矩分别计算出适合于该两个电动机高效运转的两个逆变器输入电压目标值，采用两算出的逆变器输入电压目标值中较高的电压作为目标值，并对该变压器的开关件进行PWM控制，使得该变压器输出变成所采用的目标值。
附图说明
图1示出本发明一实施例的结构。
图2为一控制装置的控制方框图。
图3为一逆变器输入电压指令运算部的工作流程图。
图4示出转矩指令T与感应电压常数K(T)之间的关系。
图5示出转速N与逆变器输入电压目标值Vdc之间的关系。
图6为该控制部处理操作流程图。
图7示出另一实施例的结构(三相结构)。
图8示出又一实施例的结构(全桥结构)。
图9示出另一实施例的结构(两电动机系统)。
图10示出两电动机系统情况下的处理操作流程图。
本发明最佳实施方式
下面结合附图说明本发明各实施例。
图1示出一实施例的结构，在该实施例中，作为直流电源的电池B1为二次电池，如镍金属氢化物(NiMH)或锂离子电池。电抗器L1的一端与电池B1的正极连接。电抗器L1的另一端与串联的NPN晶体管Q1和Q2的中点(晶体管Q1的发射极与晶体管Q2的集电极的连接点)连接。晶体管Q1的集电极与电源线连接，而晶体管Q2的发射极接地。二极管D1和D2分别连接在每个晶体管Q1和Q2的发射极与集电极之间，使得电流可从发射极流到集电极。这样电抗器L1、晶体管Q1和Q2和二极管D1和D2构成一变压器12。
作为变压器12的输出，电源线与地线之间设有一电容器C1，用以稳定电源线电压(逆变器输入电压)。
电源线与地线之间配置有一由串联的NPN晶体管Q3和Q4构成的U相支路、一由串联的NPN晶体管Q5和Q6构成的V相支路和一由串联的NPN晶体管Q7和Q8构成的W相支路。二极管D3-D8连接在每个晶体管Q3-Q8的集电极与发射极之间，使得电流从发射极侧流到集电极侧。这些晶体管Q3-Q8和二极管D3-D8构成一逆变器14。
各相支路的中点与电动机M1的各相绕组的各相端连接。具体地说，电动机M1为三相永磁电动机，其结构为U、V和W相绕组的一端共同连接到一中点，U相绕组的另一端与晶体管Q3和Q4的中点连接，V相绕组的另一端与晶体管Q5和Q6的中点连接，以及W相绕组的另一端与晶体管Q7和Q8的中点连接。
电池B1的输出电压由电压传感器20检测，电容器C1两端间的电压，即逆变器输入电压，由电压传感器22检测，电动机M1各相电流值由各电流传感器24检测，这些检测值传给控制装置30。控制装置30根据这些传感器检测值和电动机输出指令等控制逆变器14的晶体管Q3-Q8的开关，以控制电动机M1的驱动，并且还控制变压器12的晶体管Q1和Q2的开关。控制装置30由微计算机之类构成，通过执行存储在存储部(由闪速ROM等构成)中的指定程序控制逆变器14和变压器12的运行。
图2示出控制装置30的结构方框图。电动机转矩指令值、由各电流传感器24检测的电动机各相电流值和由电压传感器22检测的逆变器输入电压传给一电动机控制相电压运算部40。该电动机控制相电压运算部40从这些输入信号算出电动机各相绕组的电压，并将其传给一逆变器PWM信号转换器42。逆变器PWM信号转换器42实际生成用于导通或切断逆变器14的每个晶体管Q3-Q8的PWM信号，并把这些PWM信号传给晶体管Q3-Q8的基极，以控制晶体管Q3-Q8的开关，从而控制电动机M1各相电流。
这样，电动机驱动电流受到控制，从而可根据电动机转矩指令值控制电动机输出转矩。
另一方面，该电动机转矩值还传给逆变器输入电压指令运算部50。电动机的转速也传给逆变器输入电压指令运算部50，然后逆变器输入电压指令运算部50从电动机转速和电动机转矩指令值算出最佳逆变器输入电压值(目标值)。
该目标值传给变压器负载比运算部52。逆变器输入电压和电池电压也传给变压器负载比运算部52，然后从这些输入电压算出一用于把逆变器输入电压设为该目标值的负载比。具体地说，通过控制开关件晶体管Q1和Q2的通/断负载比来控制变压器12的输出电压，并计算负载周期，使得逆变器输入电压变成目标值。然后把计算结果传给变压器PWM信号转换器54，该变压器PWM信号转换器54对变压器12的晶体管Q1和Q2进行PWM控制。
由于加大下侧晶体管Q2的工作负载(on duty)可提高电抗器L1的电力存储，因此可得到较高的电压输出。另一方面，加大上侧晶体管Q1的工作负载可降低电源线电压。因此，通过控制晶体管Q1和Q2的负载比可把电源线电压控制在比电池B1电压高的任何电压上。特别是，电动机M1可利用再生发电，但当电动机M1再生时电源线电压提高，这意味着，上侧晶体管Q1将导通，电源线电压保持一指定值。
下面基于图3说明在逆变器输入电压指令运算部50中目标值的计算。首先，计算感应电压常数K(T)(S11)。感应电压常数K(T)(每转线电压)与永磁电动机的转矩的关系如图4所示。当转矩为0时，感应电压常数K(T)等于反向电压，随着转矩提高，感应电压常数K也提高。该特性在内部存储为一种图，按照电动机转矩指令值(T)输出感应电压常数K(T)。该特性视各个电动机的特性的不同而不同，对于每个电动机可预先得到。
然后，计算电动机最佳驱动电压Vmot(S12)。使用下列方程从感应电压常数K(T)和电动机转速N的乘积以及直流电压与交流电压的转换系数α算出该电动机最佳驱动电压：
Vmot＝K(T)×N/α
该转换系数约为0.61-0.78。
即，从电动机转矩确定对应的感应电压常数K(T)，从当时转速确定加到电动机上的电压，用所加的电压除以转换系数α得出逆变器输入电压(直流电压)。
接着，确定所得的电动机最佳驱动电压Vmot是否大于系统上限电压Vmax(S13)。该系统所能升压到的上限电压受变压器12和逆变器14的开关件和电容器C1所能承受的电压的限制。
如果在S13的判定为是(YES)，不能将逆变器输入电压Vdc设定成该最佳驱动电压，而是使逆变器输入电压Vdc为Vmax(S14)。另一方面。如果在S13判定为否(NO)，则无问题，因此使逆变器输入电压Vdc为Vmot(S15)。即，如图5所示，逆变器输入电压目标值Vdc根据随着转速而增加的电动机最佳驱动电压Vmot上升到系统上限电压Vmax，然后在达到系统上限电压Vmax后该目标值Vdc保持在Vmax上。
以这种方式，在逆变器输入电压指令运算部50中计算逆变器输入电压目标值Vdc。
按照该实施例，根据电动机转速和输出转矩指令计算此时加给电动机的最佳电压，并根据该所加电压确定逆变器输入电压指令值。因此，通过根据此时电动机的驱动状态施加最佳电压可实现电动机的高效驱动。即，如果在电动机输出转矩高时逆变器输入电压与电动机所加电压对应，必须有一相应大的电流流动。因此逆变器和电动机中的能量损耗变大。由线路中的电阻元件造成的损耗也大。使用这一实施例，通过提高逆变器输入电压可防止效率的这类下降。此外，由于可减小最大电流量，因此可使逆变器和电动机小型化，并降低其成本。
此外，由于算出最佳电压并把逆变器输入电压控制在该最佳电压上，因此可防止由逆变器输入电压上升到所需程度以上而造成的效率下降。具体地说，如果逆变器输入电压高，此时电流和电压的乘积增加，开关损耗变大。此外，由于可把输出转矩保持在电动机的高转速区中，结果可使电动机小型化和降低其成本。
接着，图6示出另一实施例的流程图。在这一例子中，假定算出的逆变器输入电压Vd小于电池电压。
首先，用电压传感器20获取电池电压VB(S21)。接着，获取电动机转矩指令和电动机转速(S22、S23)。逆变器输入电压指令运算部50然后如上所述计算逆变器输入电压目标值Vdc(S24)，然后确定所得目标值Vdc是否大于电池电压VB。如果判定为是，应进行升压，使得逆变器输入电压目标值成为Vdc(S26)，然后变压器负载比运算部52计算变压器12的负载比(S27)。另一方面，如果在S25的判定为否，则变压器12无需升压。逆变器输入电压目标值然后设为VB(S28)，变压器的上侧晶体管Q1导通(S29)。这样，逆变器的电源线经电抗器L1与电池B1直接连接。
因此，在该实施例中可用电池电压VB驱动电动机，当电动机M1再生时还把生成的电力直接传给电池B1。这意味着，无需在变压器12中进行开关，从而可减少开关损耗。
图7示出另一实施例的结构。在该例子中，变压器12呈三相结构。设有电抗器L1、L2和L3以及晶体管Q1、Q2、Q9、Q10、Q11和Q12。即，电抗器L2和L3的一端与电抗器L1一起连接到电池B1的正极。此外，电抗器L2的另一端经晶体管Q9与电源线连接并经晶体管Q10接地。同样，电抗器L3的另一端经晶体管Q11与电源线连接并经晶体管Q12接地。各晶体管Q9-Q12上也连接有让电流从发射极流到集电极的二极管。
在这种变压器12中同样通过开关各晶体管Q1、Q2、Q9、Q10、Q11和Q12来在电抗器L1、L2和L3的另一端上生成高压，从而可进行升压。特别是，以这种方式使用三相，可通过顺序导通(开)和切断(关)晶体管进行升压而抑制波动。
图8示出另一实施例的结构。在该例子中，变压器12为全桥构形。具体地说，电抗器L1的一端不与电池B1的正极直接连接，而是经NPN晶体管Q13与正极连接，并经NPN晶体管Q14接地。即，电抗器L1的一端与晶体管Q13的发射极以及晶体管Q14的集电极连接。晶体管Q13的集电极然后与电池B1的正极连接，晶体管Q14的发射极接地。这些晶体管Q13和Q14上也连接有让电流从发射极流到集电极的二极管。
采用这种结构，可通过开关晶体管Q13和Q14在电抗器L1的另一端获得比电池电压低的电压。特别是，可通过对晶体管Q13和Q14进行PWM控制来获得任意的输出电压。
在逆变器输入电压目标值Vdc低于电池电压VB的情况下，可在变压器12中获得该目标输出电压。此时还可始终以最佳效率驱动电动机。例如，通过使逆变器输入电压降低可增加逆变器的开关件的全导通时间，从而可减少开关损耗。
图9示出本发明另一实施例。在该实施例中，设有两个逆变器和两个电动机。逆变器16与逆变器14一起设置在电源线与地线之间，电动机M2与该逆变器16连接。逆变器16的结构与逆变器14的相同，电动机M2各相绕组的一端也与逆变器16各相支路的中点连接。逆变器16各相支路的电动机电流也由电流传感器28检测并供给控制装置30。
下面基于图10说明该装置的工作情况。首先，获取电池电压VB(S31)。接着，获取电动机M1转矩指令1和电动机转速N1(S32、S33)。然后计算用于驱动电动机M1的逆变器输入电压目标值(S34)。接着，获取电动机M2转矩指令2和电动机转速N2(S35、S36)，然后计算用于驱动电动机M2的逆变器输入电压目标值(S37)。
然后判定电池电压VB、目标值Vdc1和目标值Vdc2中哪一个最大(S38)。
如果判定VB最大，则把逆变器输入电压目标值设为VB(S39)，然后导通该变压器的上侧晶体管Q1(S40)。
如果在S38中判定Vdc1最大，则把逆变器输入电压目标值设为Vdc1(S41)，然后计算变压器12的负载比(S42)。如果在S38中判定Vdc2最大，则把逆变器输入电压目标值设为Vdc2(S43)，然后计算变压器12的负载比(S44)。
这样，逆变器输入电压目标值设为Vdc1和Vdc2中最大者。损耗在逆变器输入电压小于一最佳值时比在该输入电压大于该最佳电压时要大，因此采用该实施例可实现电动机高效驱动。
工业应用性
本发明可用于混合动力型车辆或电动车辆的行驶电动机的驱动控制。

Claims (8)

1、一种用于把直流电源的输出经逆变器供给电动机并控制该电动机的驱动的电动机驱动控制装置，它包括：
用于把该直流电源的输出电压变换以供给该逆变器的变压器；以及
用于通过对该逆变器进行PWM控制来控制供给该电动机的电流的控制部，
该变压器包括：
其一端与该直流电源连接的电抗器和至少两个开关件——一上侧开关件连接该电抗器的另一端与该逆变器的电源侧，一下侧开关件连接到该逆变器的接地侧，其中，
该控制部根据电动机转速和目标输出转矩计算出适合于该电动机高效运转的逆变器输入电压目标值，并对该变压器开关件进行PWM控制以实现该输入电压目标值。
2、按权利要求1所述的电动机驱动控制装置，其特征在于，该变压器为装有三组电抗器和两个开关件的三相结构。
3、按权利要求1或2所述的电动机驱动控制装置，其特征在于，当该逆变器输入电压目标值比该直流电源的电压低时，该变压器的上侧开关件导通，而下侧开关件切断。
4、按权利要求1或2所述的电动机驱动控制装置，其特征在于，该变压器为一电池的两端和一电抗器的一端经两开关件连接的全桥构形。
5、按权利要求1-4中任一项所述的电动机驱动控制装置，其特征在于，用于向另一电动机供应电流的另一逆变器与该变压器的输出连接，该控制部输出从这两电动机的转速和目标输出算出的两逆变器输入目标电压中较高的电压。
6、按权利要求1-5中任一项所述的电动机驱动控制装置，其特征在于，当算出的逆变器输入目标电压超过一规定的上限值时，该控制部把该输入目标电压设为该上限值。
7、一种用于两电动机系统的电动机驱动控制方法，该两电动机系统包括：用于变换直流电源的输出电压的变压器，该变压器包括其一端与该直流电源连接的电抗器和至少两个开关件——一上侧开关件连接电抗器的另一端与一逆变器的电源侧，一下侧开关件连接到该逆变器的接地侧；两个用于接收该变压器的输出并把该输出转换成规定的交流电流的逆变器；和分别由该两个逆变器的交流电流驱动的两个电动机；其中，
根据该两个电动机的转速和目标输出转矩分别计算出适合于该两个电动机高效运转的两个逆变器输入电压目标值，把两算出的逆变器输入电压目标值中较高的电压选作目标值，并对该变压器的开关件进行PWM控制。
8、一种用于两电动机系统的电动机驱动控制程序，该两电动机系统包括：用于变换直流电源的输出电压的变压器，该变压器包括其一端与该直流电源连接的电抗器和至少两个开关件——一上侧开关件连接电抗器的另一端与一逆变器的电源侧，一下侧开关件连接到该逆变器的接地侧；两个用于接收该变压器的输出并把该输出转换成规定的交流电流的逆变器；分别由该两个逆变器的交流电流驱动的两个电动机；和用于控制该变压器的开关件的开关的控制部；其中，
该控制部根据该两个电动机的转速和目标输出转矩分别计算出适合于该两个电动机高效运转的两个逆变器输入电压目标值，采用两算出的逆变器输入电压目标值中较高的电压作为目标值，并对该变压器的开关件进行PWM控制，使得该变压器输出变成所采用的目标值。
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