考虑用于控制多相电机的最小开关状态时间的空间矢量调制方法与流程

专利2022-05-09  161



1.本发明涉及一种用于控制多相电机的方法和变流器,其中,电机的每个相电压由两个连接成半桥的电子开关产生,并且通过空间矢量调制来控制半桥的开关状态。


背景技术:

2.在空间矢量调制的情况下,半桥的每个开关状态都由基本电压空间矢量表示,并且为空间矢量调制的连续的脉冲周期相应预设额定空间矢量。根据脉冲宽度调制的原理,通过基本电压空间矢量在相应脉冲周期内的改变,将额定空间矢量实现为脉冲周期上的时间平均值。
3.当半桥中的两个同时或几乎同时在相反地相互切换时,以空间矢量调制方式控制的这种电机的连接端子之间会出现升高的电压。因此,空间矢量调制通常实现为,使得避免了两个半桥的同时相互相反的切换。但是,如果同时或几乎同时切换两个半桥,则在电机中也会出现升高的导体接地电压。
4.us 9 608 545 b1公开了一种用于驱动负载的方法,其中,提供了用于控制开关装置的开关操作的开关信号。如果开关信号落入预定的死区中,则通过将与开关信号相对应的空间矢量移动至死区的边界来修改开关信号。
5.us 5 955 862 a公开了一种用于具有电压变流器的异步电动机的变频器,该变频器具有根据脉冲宽度调制控制的开关。如果输出电压向量的两个分量中的至少一个小于预定的最小值,则计算两个替代向量,其向量平均值等于输出电压向量,其中,第一替代向量的分量相应地大于最小值。例如在脉冲宽度调制的两个半脉冲周期中或者在两个依次连续的脉冲周期中使用替代向量。


技术实现要素:

6.本发明的目的是,提出一种用于利用空间矢量调制改进控制多相电机的方法和装置。
7.根据本发明,该目的通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求11的特征的变流器来实现。
8.本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。
9.在根据本发明的用于控制多相电机的方法中,电机的每个相电压都通过两个连接形成的半桥的电子开关来产生,并且利用空间矢量调制来控制半桥的开关状态。在此,预设最小停留时间,并且半桥的每个由有源基本电压空间矢量表示的开关状态至少保持最短停留时间。
10.通过最小停留时间避免了由有源基本电压空间矢量表示的开关状态的持续时间变得如此短,以使得在该开关状态之前和之后设置的开关状态几乎立即彼此跟随,由此能够产生两个半桥几乎同时相同类型的切换。通过避免半桥的这种切换,减小了电机的导体
接地电压负载。由此,通过将更少的绝缘材料被引入到槽中,电机的绝缘强度能够被设计得较低,并且电机能够被更好地利用,电机的线圈绕组通过该槽延伸,并且该空间被用于线圈绕组。
11.本发明还提出,对于空间矢量调制的每个脉冲周期,为在该脉冲周期内半桥的开关状态的平均的开关状态平均值预设额定空间矢量,并且如果不能实现由额定空间矢量表示的开关状态平均值,则设置开关状态平均值,该开关状态平均值由与额定空间矢量略微偏离的替代空间矢量表示。例如,替代空间矢量的空间矢量绝对值与额定空间矢量的空间矢量绝对值一致,并且替代空间矢量的空间矢量角与额定空间矢量的空间矢量角偏差得尽可能小。替代地,为了形成替代空间矢量,缩短持续时间,在该持续时间中,半桥的开关状态在脉冲周期内由有源基本电压空间矢量之一表示。在此,优选地缩短以下有源的基本电压空间矢量的持续时间,该有源的基本电压空间矢量在脉冲周期内被最长时间地使用,以实现额定空间矢量。
12.本发明的上述设计方案考虑到,由于为有源的基本电压空间矢量预设的最小停留时间不能实现由额定空间矢量表示的每个开关状态平均值。因此,在无法实现额定空间矢量的情况下,本发明提出,代替额定空间矢量实现替代空间矢量,该替代空间矢量仅与额定空间矢量略微偏离。
13.本发明还提出,在脉冲周期的额定空间矢量与替代空间矢量之间形成差分空间矢量,并且在该脉冲周期之后的脉冲周期的额定空间矢量根据差分空间矢量相对于最初为之后的脉冲周期预设的额定空间向量来修改。例如,通过将差分空间矢量加到最初为脉冲周期预设的额定空间矢量,一个脉冲周期的额定空间矢量通过前一个脉冲周期的差分空间矢量来修改。替代地,通过将差分空间向量在最初为脉冲周期预设的额定空间矢量的空间矢量角与前一个脉冲周期的额定空间矢量的空间矢量角之间旋转差分角,并且将旋转的差分空间矢量加到最初为脉冲周期预设的额定空间矢量,脉冲周期的额定空间矢量通过前一个脉冲周期的差分空间矢量来修改。
14.本发明的前述设计方案能够实现,通过根据额定空间矢量与替代空间矢量的偏差修改下一个脉冲周期的额定值矢量,在之前的时间周期中补偿电压时间区域的额定值偏差,其中,该额定值偏差在脉冲周期中通过使用替代空间矢量代替额定空间矢量引起。
15.本发明的另一设计方案提出,至少将在半桥的开关状态的开关状态变化与电机通过开关状态变化产生的相电压的相电压变化之间的持续时间的两倍预设为最小停留时间。该持续时间例如是连接电缆中的信号的信号传输时间,该连接电缆将电机的连接端子与具有半桥的变流器连接。
16.替代于本发明的前述设计方案,例如,将电机的取决于电机的串联电感和绕组电容的谐振频率的倒数预设为最小停留时间。
17.本发明的上述两个设计方案有利地使最小停留时间匹配电机的物理特性以及其与半桥的耦合。最小停留时间与电机的共振频率的匹配尤其具有优点,即由此还能够降低电机的星形点处的电压负载。
18.本发明的另一个设计方案提出,半桥的每两个依次连续的开关状态仅通过恰好一个半桥的开关位置来相互区分。由此,有利地避免了由于两个或多个半桥的同时切换引起的电压负荷。
19.本发明的另一个设计方案提出,预设开关位置最小时间,并且每个半桥的开关位置至少保持开关位置最小时间。由此,利地避免了由于各个相的相电压的快速变化引起的电压负荷。
20.在本发明的另一个设计方案中,仅当电机以振幅在预定电压范围内的相电压运行时,才激活根据本发明的方法。在此,为了激活该方法,预设一个电压范围,在该电压范围中,电机承受电压负荷,而该电压负荷不是在具有常规空间矢量调制的控制方法中设计的。相反地,在相电压在该电压范围之外的情况下,优选地通过常规的空间矢量调制控制电机。由此,考虑在根据本发明修改的空间矢量调制中,与传统的空间矢量调制相比,电机中的纹波电流略有增加,使得根据本发明修改的空间矢量调制相对于传统的空间矢量调制仅在电机的电压负载时是有利的,而该电压负荷不是在具有常规空间矢量调制的控制方法中设计的。
21.用于执行根据本发明的方法的根据本发明的变流器对于每个相电压包括两个连接成半桥的电开关,并且包括用于根据本发明的方法驱控电开关的控制单元。这种变流器的优点对应于上面已经提到的根据本发明的方法的优点。
附图说明
22.根据下面结合附图对实施例的描述,更清楚和明白地解释本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现它们的方式和方法。在此,示出:
23.图1示出了变流器和在该变流器处运行的电机的框图,
24.图2示出了具有额定空间矢量和基本电压空间矢量的空间矢量平面的一部分,
25.图3示出了空间矢量调制的连续脉冲周期的根据本发明的第一实施变体方案形成的额定空间矢量,
26.图4示出了空间矢量调制的连续脉冲周期的根据本发明的第二实施变体方案形成的额定空间矢量。
27.在附图中,对应的部分设有相同的附图标记。
具体实施方式
28.图1示出了变流器1和在变流器1处运行的三相电机3的框图。电机3例如设计为无刷直流电动机。变流器1包括输出侧逆变器4,该输出侧逆变器具有用于电机3的每个相的电半桥5、6、7,在两个桥臂中分别布置有一个电子开关9、10并且其桥分支与电机3的各个相的线圈绕组连接。变流器1在输入侧具有(在此未示出的)整流器,该整流器通过(在此也未示出的)直流电压中间电路与逆变器4连接。每个电子开关9、10都被设计为mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管),但是可选地也能够被设计为例如igbt(绝缘栅双极型晶体管)。变流器1还具有控制单元11,控制单元用于根据下面参考图2至图4更详细描述的方法来驱控电子开关9、10。
29.图2示出了具有额定空间矢量13和基本电压空间矢量15、16、17的空间矢量平面的一部分。每个基本电压空间矢量15、16、17表示半桥5、6、7的一个开关状态,其通过数字三元组表示,其三个数字能够分别假设值0或1,并分别分配给半桥5、6、7。数字三元组的数字的值1代表分配给该数字的半桥5、6、7的一个开关位置,在该开关位置时,半桥5、6、7的第一电
子开关9接通,并且第二电子开关10断开,由此,将电机3的与半桥5、6、7连接的线圈绕组置于变流器1的直流电压中间电路的正电位上。数字三位数字的值0代表分配给该数字的半桥5、6、7的一个开关位置,在该开关位置时,半桥5、6、7的第一电子开关9断开并且第二电子开关10接通,由此,将电机3与半桥5、6、7连接的线圈绕组置于变流器1的直流电压中间电路的负电位上。表示由数字三元组100、010、001、110、101或011之一示出的开关状态的基本电压空间矢量被称为有源基本电压空间矢量。表示由数字三元组000或111之一示出的开关状态的两个基本电压空间矢量被称为无源基本电压空间矢量或零电压空间矢量。
30.根据本发明,利用具有脉冲周期的空间矢量调制控制半桥5、6、7的开关状态。在此,像往常一样,对于每个脉冲周期预设对于半桥5、6、7的开关状态在脉冲周期上平均的开关状态平均值的额定空间矢量13,其中,在脉冲周期中,在由与额定空间矢量13相邻的有源基本电压空间矢量15、16、17和两个零电压空间矢量或这些空间矢量的子集表示的开关状态之间转换。
31.然而,与传统的空间矢量调制相反,预设最小停留时间,并且半桥5、6、7的由有源的基本电压空间矢量15、16、17表示的每个开关状态至少保持该最小停留时间。此外,预设开关位置最小时间,并且每个半桥5、6、7的开关位置至少保持该开关位置最小时间。此外,半桥5、6、7的开关状态仅以以下方式改变,即半桥5、6、7的每两个连续的开关状态仅通过恰好一个半桥5、6、7的开关位置来区分。
32.利用该预设,不能够实现由额定空间矢量13表示的每个开关状态平均值,因为不必保持用于半桥5、6、7的通过有源基本电压空间矢量15、16、17表示的开关状态的最小停留时间,并且不必保持用于每个半桥5、6、7的开关位置的开关位置最小时间。在图2中,在空间矢量平面的所示部段中示出了以下区域,该区域的点表示可实现的开关状态平均值。这些是有源的基本电压空间矢量15和16或16和17之间的三角形区域19、20,由数字三元组100、110、010和000(或111)表示的点以及在这些点之间延伸的路径21至25。相反地,位于三角形区域19、20和与其相邻的路径21至25之间的区域的点表示不可实现的开关状态平均值。
33.由三角形区域19中的点表示的开关状态平均值例如通过在一个脉冲周期内的时间开关状态序列000

100

110

111

110

100

000来实现。例如,通过在脉冲周期内在开关状态110与111之间的改变来实现由路径22上的点表示的开关状态平均值。由路径24上的点表示的开关状态平均值例如通过在脉冲周期内的时间开关状态序列100

110

100来实现。这也相应地适用于其他可实现的开关状态平均值。通过在整个脉冲周期上设置相同的零电压空间矢量来实现具有空间矢量绝对值为零的额定空间矢量13。
34.至少将在半桥5、6、7的开关状态的开关状态变化与电机3的通过开关状态变化产生的相电压的相电压变化之间的持续时间的两倍预设为最小停留时间。该持续时间例如是在将变流器1和电机3连接的连接电缆3中的信号从半桥5、6、7至电机3的连接端子3的信号传输时间。
35.替代地,将取决于电机3的串联电感和绕组电容的电机3的谐振频率的倒数预设为最小停留时间。
36.在图2中示出了额定空间矢量13,额定空间矢量表示不可实现的开关状态平均值,因为为了实现这个,仅需在脉冲周期内设置开关状态100为很短的时间,由此,相应于在三角形区域19中的上述开关状态序列,在开关状态000与110之间进行几乎瞬时的开关状态变
化,并且由此,两个半桥5、6、7几乎同时以相同的方式被切换。在这种情况下,设置开关状态平均值,该开关状态平均值由替代空间矢量27表示,该替代空间矢量与额定空间矢量13偏差很小。在图2所示的实例中,替代空间矢量27的空间矢量绝对值与额定空间矢量13的空间矢量绝对值一致,并且替代空间矢量27的空间矢量角与额定空间矢量13的空间矢量角的偏差尽可能小。替代地,为了形成替代空间矢量27缩短持续时间,在该持续时间中,半桥5、6、7的开关状态在脉冲周期内由有源的基本电压空间矢量15、16、17之一表示。在此,优选地缩短以下有源的基本电压空间矢量15、16、17的持续时间,该有源的基本电压空间矢量在脉冲周期内被最长时间地使用,以实现额定空间矢量13。
37.图3和图4示出了本发明的两个不同的实施变体方案,根据该实施变体方案,如果在先前的脉冲周期中使用与先前的脉冲周期的额定空间矢量13偏离的替代空间矢量27以形成半桥5、6、7的开关状态的开关状态平均值,则形成空间矢量调制的脉冲周期的额定空间矢量14。在两个实施变体方案中,在额定空间矢量13与替代空间矢量27之间形成差分空间矢量29,并且根据先前的脉冲周期的差分空间矢量29相对于最初预设的额定空间矢量14'修改额定空间矢量14,从而补偿电压时间区域与其额定值的偏差,该偏差在之前的脉冲周期中通过使用替代空间矢量代替额定空间矢量引起。
38.在图3所示的额定空间矢量14的图示中,先前脉冲周期的差分空间矢量29被添加到最初预设的额定空间矢量14'。
39.在图4所示的额定空间矢量14的图示中,将差分空间矢量29在最初为脉冲周期预设的额定空间矢量14'的空间矢量角与之前的脉冲周期的额定空间矢量13的空间矢量角之间旋转差分角α,并且转动的差分空间矢量31加到最初为该脉冲周期预设的额定空间矢量14'。
40.当电机3以振幅在预设的电压范围内的相电压运行时,优选地例如借助于变流器1的参数来激活以上根据图2至图4描述的方法。在此,为了激活该方法,预设电压范围,在该电压范围中,电机3承受在利用传统的空间矢量调制的控制方法中没有为其设计的电压负荷。相反地,在相电压超出该电压范围的情况下,利用常规的空间矢量调制控制电机3。由此考虑到,在根据本发明修改的空间矢量调制中,与传统的空间矢量调制相比,电机3中的纹波电流略有增加,使得根据本发明修改的空间矢量调制相对于传统的空间矢量调制仅在电机3的利用传统的空间矢量调制的控制方法中没有为其设计的电压负荷中是有利的。
41.尽管已经通过优选的实施例更详细地示出和描述了本发明,但是本发明不受公开的示例的限制,并且本领域技术人员能够在不脱离本发明保护范围的情况下从中得出其他变体方案。

技术特征:
1.一种用于控制多相电机的方法(3),其中,

所述电机(3)的每个相电压通过两个连接成半桥(5、6、7)的电子开关(9、10)来产生,以及

利用空间矢量调制控制所述半桥(5、6、7)的开关状态,

其中,预设最短停留时间,以及

所述半桥(5、6、7)的每个由有源的、即与零电压空间矢量不同的基本电压空间矢量(15、16、17)表示的开关状态均至少保持所述最短停留时间,

对于所述空间矢量调制的每个脉冲周期,为所述半桥(5、6、7)的所述开关状态在所述脉冲周期上平均的开关状态平均值预设额定空间矢量(13、14),并且,如果不能实现由所述额定空间矢量(13、14)表示的所述开关状态平均值,则设置开关状态平均值,该开关状态平均值由与所述额定空间矢量(13、14)偏离的替代空间矢量表示,

以及在脉冲周期的额定空间矢量(13)与替代空间矢量(27)之间形成差分空间矢量(29),并且在该脉冲周期之后的脉冲周期的所述额定空间矢量(14)根据所述差分空间矢量(29)相对于最初为该之后的脉冲周期预设的额定空间向量(14')来修改。2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述替代空间矢量(27)的空间矢量绝对值与额定空间矢量(13、14)的空间矢量绝对值一致,并且所述替代空间矢量(27)的空间矢量角与额定空间矢量(13、14)的空间矢量角不同。3.根据权利要求1所述的方法,其中,为了形成所述替代空间矢量(27)缩短持续时间,在该持续时间中,所述半桥(5、6、7)的开关状态在脉冲周期内由有源的基本电压空间矢量(15、16、17)之一表示。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,通过将所述差分空间矢量(29)加到最初为脉冲周期预设的额定空间矢量(14'),一个脉冲周期的额定空间矢量(14)通过前一个脉冲周期的差分空间矢量(29)来修改。5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其中,通过将所述差分空间向量(29)在最初为脉冲周期预设的额定空间矢量(14')的空间矢量角与前一个脉冲周期的额定空间矢量(13)的空间矢量角之间旋转差分角(α),并且将旋转的差分空间矢量(31)加到最初为脉冲周期预设的额定空间矢量(14'),脉冲周期的额定空间矢量(14)通过前一个脉冲周期的差分空间矢量来修改。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,至少将在所述半桥(5、6、7)的开关状态的开关状态变化与所述电机(3)通过所述开关状态变化而产生的所述相电压的相电压变化之间的持续时间的两倍预设为最小停留时间。7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其中,将取决于所述电机(3)的串联电感和绕组电容的所述电机(3)的谐振频率的倒数预设为最小停留时间。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述半桥(5、6、7)的每两个依次连续的开关状态仅通过恰好一个半桥(5、6、7)的开关位置来相互区分。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,预设开关位置最小时间,并且每个所述半桥(5、6、7)的开关位置至少保持所述开关位置最小时间。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,当所述电机(3)以振幅在预定电压范围内的相电压运行时被激活。
11.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的变流器(1),所述变流器(1)

对于每个相电压包括两个连接成一个半桥(5、6、7)的电子开关(9、10)并且

所述变流器包括用于根据前述权利要求中任一项所述的方法控制所述电子开关(9、10)的控制单元(11)。
技术总结
本发明涉及一种用于控制多相电机(3)的方法和变流器(1)。电机(3)的每个相电压都通过两个连接形成半桥(5、6、7)的电子开关(9、10)来产生。通过空间矢量调制控制半桥(5、6、7)的开关状态,其中,预设了最短停留时间,并且半桥(5、6、7)的每个由有源的基本电压空间矢量(15、16、17)表示的开关状态均至少保留最小停留时间。17)表示的开关状态均至少保留最小停留时间。17)表示的开关状态均至少保留最小停留时间。


技术研发人员:本诺
受保护的技术使用者:西门子股份公司
技术研发日:2019.10.22
技术公布日:2021/6/29

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