阅读说明：本技术 用于三相交流电机的驱动控制器 (Drive controller for three-phase AC motor ) 是由 P·席尔默 D·格罗泽 于 2019-02-21 设计创作，主要内容包括：提出一种用于三相交流电机的驱动控制器,所述驱动控制器包括：逆变器,其包括多个开关,以用于在三相交流电机的线圈上产生三相交流电压；以及控制装置,用于基于脉宽调制控制所述逆变器的各开关,其中,所述控制装置设置为用于在一个开关周期内在使用开关模式的情况下控制所述各开关,其中,所述开关模式由两个主动的电压空间矢量和多个零矢量组成,其中,所述多个零矢量在所述开关模式内变化。(A drive controller for a three-phase alternating current machine is proposed, the drive controller comprising: an inverter including a plurality of switches for generating a three-phase alternating current voltage on coils of a three-phase alternating current motor; and a control device for controlling the switches of the inverter on the basis of pulse width modulation, wherein the control device is arranged for controlling the switches in a switching cycle using a switching pattern, wherein the switching pattern consists of two active voltage space vectors and a plurality of zero vectors, wherein the plurality of zero vectors vary within the switching pattern.)

用于三相交流电机的驱动控制器

技术领域

本发明涉及一种用于三相交流电机的驱动控制器。此外，本发明涉及一种特别是用于机动车的包括这样的驱动控制器的三相交流电机。

背景技术

在三相交流电机的领域中应用驱控器，所述驱控器负责使在三相交流电机中存在磁通密度分布的限定的方向。在此通常采用输入信号的脉宽调制。为了可以使三相交流电机(也称为交流电动机)连续地(正弦形地)换向，特别是在一个逆变器中进行电压空间矢量调制。这样的逆变器可以对于三相交流电机的三相中的每个相都具有半桥。由此使得三相的输出电压不仅置于正的中间电路电位而并且置于负的中间电路电位。中间电路是由输入电压源至逆变器的过渡。

每个半桥可以采用两个不同的开关位置。因为三个半桥对于三相交流系统是必要的，所以由此产生2³个可能的开关位置和因此8个开关状态。每个主动的开关位置相应于在所述相与因此另一电压空间矢量之间的另一电压状况。电压空间矢量在此通过两个参量、亦即电压空间矢量的角及其数值限定在电机中的磁通密度分布。所述两个开关位置——其中要么闭合所有三个上开关要么闭合所有三个下开关——称为零电压空间矢量、零矢量或被动的电压空间矢量。

由这些开关位置因此可以实现六个主动和两个被动的电压空间矢量。为了可以使三相交流电机连续地换向，这六个主动的基本电压空间矢量是不足够的，因为必须将具有任意角和数值的电压空间矢量接通到电机上。为了实现这一点，可以应用脉宽调制。为了输出任意的电压空间矢量，可以交替输出两个电压空间矢量。施加每个电压空间矢量的持续时间与调制的开关频率和电压空间矢量的角位置有关。引起的电压空间矢量通过两个时间的比例来限定。在三相交流电机中通过电压空间矢量的该输出产生平均的电流并且继而期望的电压空间矢量、亦即磁通密度的期望的定向。

为了可以任意选择输出电压的幅度、亦即电压空间矢量的数值，不仅交替输出两个电压空间矢量，而并且还为其补充零矢量。通过该零矢量可以减小引起的电压空间矢量的数值。引起的电压空间矢量的数值与主动的电压空间矢量的接通时间和零矢量的接通时间的比例有关。因此脉宽调制三个或四个参与的电压空间矢量(和因此开关位置)。

在过去的系统中，任意电压空间矢量的输出对于每个开关周期分为三个或四个时间间隔。在这些时间间隔中的两个时间间隔中输出所述两个主动的电压空间矢量，而在第三或第四时间间隔中输出零矢量。在该已知的调制方法中根据运行点进行选择，其中，一个运行点相应于包括两个电压空间矢量的组合。这表示，对于一个相角π/3总是存在包括两个电压空间矢量和一个或两个零矢量的确定的组合。在产生用于三相交流电机的各相的情况下，附加于电流的期望的振荡也出现电流谐波。这可能在整个运行特性曲线簇内导致损耗，所述损耗无法通过对三相交流电机的所述调制和驱控来避免。

发明内容

在该背景下，本发明的目的在于，改善三相交流电机的驱控，其中特别是应减少电流谐波。

该目的通过一种用于三相交流电机的驱动控制器解决，如其在下文中所提出的那样。驱动控制器具有逆变器，其包括多个开关，以用于在三相交流电机的线圈上产生三相交流电压；以及控制装置，用于基于脉宽调制控制逆变器的开关。所述逆变器可以特别是六脉冲式桥电路，其三个由分别带有一个上开关和一个下开关的半桥组成。

为了相比于已知的驱控器改善三相交流电机的驱控，按照本驱动控制器的控制装置设置为用于在一个开关周期内在使用开关模式的情况下控制开关，其中，所述开关模式由两个主动的电压空间矢量和多个零矢量组成，其中，所述多个零矢量在所述开关模式内变化。

一个开关周期在此相应于一个运行状态，该运行状态通过包括两个主动的电压空间矢量的确定的组合来限定。对于每个运行状态，因此确定三相交流电机的转速和扭矩，因为这些转速和扭矩通过所述两个主动的电压空间矢量和所述多个零矢量确定。一个开关周期在此相应于三相交流信号的π/3的角。

按照提出的驱动控制器，应用包括两个主动的电压空间矢量和多个零矢量的组合，其中，所述零矢量的类型和数量在一个基波周期内可变。相比之下，在已知的系统中，在一个基波周期中仅仅应用包括两个主动的电压空间矢量和一个或多个零矢量的组合，其中，它们在一个基波周期中不改变。按照在此提出的驱动控制器，所述多个零矢量可以在一个电压周期内变化。在此可以应用包括两个主动的电压空间矢量和一个零矢量的组合，其中，该零矢量在所述电压周期内变化。备选地可以应用包括两个主动的电压空间矢量和多个零矢量的组合，其中，这些零矢量同样在所述电压周期内变化。这两种可能性也可以组合在一起。

通过在一个电压周期中应用多个和/或不同的零矢量，可以在其谐波方面优化产生的三相交流信号。在一个开关周期期间，通过相应地选择零矢量可以如此匹配电压空间矢量的值，使得这些电压空间矢量相应于真实的电压空间矢量，亦即通过简单切换开关而实现的电压空间矢量。因为在这些情况下由于谐波的损耗非常小，因此可以通过适合地应用零矢量而降低在损耗和谐波方面产生的三相交流信号。

因为电流谐波不提供可用的扭矩，所以三相交流电机的利用由于谐波的百分比份额而降低。此外谐波产生提高的热负荷并且因此降低最大的可能的持续功率。这可以通过提出的驱动控制器得到改善，因为能够降低谐波。

按照一个实施形式，所述开关模式在一个开关周期期间是逆转的。逆转在该情况下表示：包含主动的电压空间矢量，并且使得所述一个或多个零矢量逆转。在此，所述开关模式可以至少一次地在所述开关周期期间逆转。优选地，在所述开关周期的各半部中逆转。在三相交流电机上存在的信号因此周期地逆转。在此确认：在零矢量逆转的情况下可以降低损耗。优选地可以实现在π/6时零矢量的逆转，因为这引起损耗的优化的降低。

按照另一实施形式，开关模式限定所述零矢量的分配和/或数量。

通过所述开关模式因此限定：在一个开关周期内应用多少个零矢量，并且这些零矢量如何分配。例如可以在一个开关周期内首先应用包括两个主动的电压空间矢量和一个第一零矢量的组合，而在相同的开关周期内接着应用包括两个主动的电压空间矢量和另一第二零矢量的组合。

按照另一实施形式，所述驱动控制器具有计算单元，以用于计算对于三相交流电机的每个运行状态的零矢量以及用于存储所述零矢量。

通过该计算单元已经可以与三相交流电机无关地提前地对于每个运行状态进行可能的开关状态的计算。运行状态具有确定的转速和确定的扭矩，其通过主动的电压空间矢量以及零矢量的和来限定。因为对于每个运行状态存储开关状态或零矢量，所以在三相交流电机的运行期间快速访问该信息是可能的，而不会受所述计算限制。

特别是，所述计算单元可以设置为用于离线计算所述多个零矢量。通过离线计算，零矢量的计算也可以要求更长的时间，而这不会导致在三相交流电机的运行中的影响。此外，所述离线计算可以一次性地已经在工厂中或者在交付驱动控制器之前实现。

在一个实施形式中，所述计算单元设置为用于在查找表中存储所述一个或多个零矢量。查找表提供存储零矢量的特别简单的方式，因为在此在运行期间不需要用于选择零矢量的另外的处理过程，而是仅仅必须为相应的运行状态或开关周期选择零矢量。

按照另一实施形式，所述计算单元设置为用于基于优化算法计算所述一个或多个零矢量，其中，所述优化算法适合于在整个运行范围内降低三相交流电机的损耗。

所述优化算法的选择可以此外与如下有关，即何种运算能力可用或者算法应运行多快。无论如何，在整个运行范围内、亦即在所有运行状态下优化，以便总体上降低三相交流电机的损耗。根据可用的运算和时间资源可以选择相应的算法。特别是，所述优化算法可以适合于在电机侧或在中间电路侧降低三相交流电机的损耗。所述中间电路是由输入电压源至逆变器的过渡。

作为优化算法可以应用不同的数值算法。其中例如包括如下算法：“穷举搜索”(exhaustive search)、“完整参数变化”(complete Parameter Variation)、“最小值搜索”(minimum search)或者“下降梯度法”(descendend gradient method)。

所述优化算法可以对于中间电路侧以及电机侧是相同的。对于中间电路自然应降低电压波动。在电机侧与中间电路侧的优化之间可以存在目标冲突。在该情况下，因此可以优化电机侧或者中间电路侧。

按照另一方面提出一种三相交流电机，特别是用于机动车的三相交流电机，其包括如上所述的驱动控制器。

按照另一方面，提出一种用于驱控三相交流电机的方法。该方法具有如下步骤：在三相交流电机的线圈上借助于带有多个开关的逆变器产生三相交流电压；并且基于脉宽调制控制逆变器的开关，其中，在一个开关周期内在使用开关模式的情况下控制开关，其中，所述开关模式由两个主动的电压空间矢量和多个零矢量组成，其中，所述多个零矢量在所述开关模式内变化。

对于提出的装置所述的实施形式和特征相应地适用于提出的方法。

此外提出一种计算机程序产品，其具有程序代码，该程序代码构成为在计算机上促使上述方法的实施。

计算机程序产品、例如计算机程序模块可以例如作为存储介质例如存储卡、USB棒、CD-ROM、DVD或以由网络中的服务器可下载文件的形式提供或供应。这例如可以在无线通信网络中通过传输具有计算机程序产品或计算机程序模块的相应文件来实现。

本发明另外的可能的实现方案也包括之前或在下文中关于各实施例所述的特征或实施形式的未明确所述的组合。

在此本领域内技术人员也可将各个方面作为对本发明的相应的基本形式的改善或补充进行添加。

另外的优点和有利实施形式在说明书、附图和权利要求书中提出。在此特别是在说明书中和在附图中提出的特征组合是纯示例性的，从而各特征也可以单个或另外组合地存在。

附图说明

在下文中应根据在附图中示出的各实施例进一步描述本发明。在此，各实施例和在各实施例中示出的组合是纯示例性的并且不应限制本发明的保护范围。本发明的保护范围仅仅通过所附权利要求书定义。

附图示出：

图1示出用于三相交流电机的驱动控制器；

图2示出根据调制相角的调制曲线的图形；以及

图3示出根据调制指数的调制曲线的图形。

具体实施方式

在下文中，相同或功能上相同作用的元件以相同附图标记表示。

图1示出用于三相交流电机2的驱动控制器1。三相交流电机2在此理想化地通过三个绕组L1至L3以及反向感应的电压e_a至e_c表示，其代表三相交流电机2的三个线圈。

为了在三相交流电机2中获得磁通密度分布的限定的方向，在逆变器3中应用输入信号的脉宽调制，输入信号源自输入电压源5。特别是进行电压空间矢量调制。

逆变器3对于三相交流电机2的三相6中的每个相具有半桥。第一半桥通过开关S1、S2形成，第二半桥通过开关S3、S4形成，而第三半桥通过开关S5、S6形成。由此可以将三相6的输出电压不仅置于正的中间电路电位并且置于负的中间电路电位。中间电路是由输入电压源5至逆变器3的过渡。

逆变器3的每个半桥可以采用两个不同的开关位置。因为三个半桥对于一个三相交流系统是必要的，所以由此产生2³个可能的开关位置和因此8个开关状态。每个主动的开关位置相应于在各相6与因此另一电压空间矢量之间的另一电压状况。电压空间矢量在此通过两个参量、亦即电压空间矢量的角及其数值来限定在三相交流电机2中的磁通密度分布。

为了驱控逆变器3及其开关S1至S6，设有控制装置4。为了相比于已知的驱控而改善三相交流电机2的驱控，控制装置4设置为用于在一个开关周期内在使用确定的预限定的开关模式的情况下控制开关S1至S6。开关模式在此由两个主动的电压空间矢量和多个零矢量组成，其中，所述多个零矢量在所述开关模式内变化。为了优化所产生的交流点信号，特别是为了降低电流谐波，因为这些谐波引起在信号中的失真，可以在使用零矢量的情况下优化应用的开关模式。为此可以应用不同的适合的优化算法。

图2和3示出用于不同调制方法的调制曲线。图2在此示出信号的角θ关于谐波失真系数(HDF)的变化，而图3示出关于谐波失真系数(HDF)的调制指数M_i。调制指数M_i在此理解为标准化的逆变器输出电压(逆变器调节)。

在图2和3中一方面示出用于离散的调制方法的调制曲线。其中包括方法DPWMMIN(不连续最小脉宽调制)、DPWMMAX(不连续最大脉宽调制)、DPWM1(不连续脉宽调制)和DPWM3(不连续30°脉宽调制)，其各自应用一个零矢量。此外示出用于连续的调制方法的调制曲线。其中包括调制方法SVPWM(空间向量脉宽调制)和THIPWM 1/4(第三谐波PWM)，其应用两个零矢量。调制方法——如通过在图1中所述的控制装置所应用的那样——在图2和3中表示为OZP。在此零矢量的数量在一个开关周期内根据调节、角和频率而变动。

曲线C1和K5涉及SWPWM调制。曲线C2和K4涉及THIPWM1/4调制。曲线C3/C4和K2涉及DPWMMIN/DPWMMAX调制。曲线K3涉及DPWM3调制。曲线K1涉及DPWM1调制。

如图2和3可得知的那样，通过调制(OZP)——如其通过图1的驱动控制器1所进行的那样——实现失真系数的减小。这通过在图2中的曲线C5和在图3中的曲线K6说明。如在附图中所示，通过相应的可用于计算零矢量的优化算法如此优化曲线C5或K6，使得失真系数HDF相比于现有的调制方法最小。

通过在一个电压周期中应用多个和/或不同的零矢量——如在此设定——可以在三相交流信号的谐波方面优化所产生的三相交流信号。通过这种方式可以降低输出信号的失真。

附图标记列表

1 驱动控制器

2 三相交流电机

3 逆变器

4 控制装置

5 输入电压源

6 输出相

C1-C4 根据相角的调制曲线

e_a-e_c 反向感应的电压

K1-K6 根据调制指数的调制曲线

L1-L3 线圈

S1-S6 开关