專利名稱：用于增加交流電機(jī)在低頻下的轉(zhuǎn)矩輸出的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及控制交流(AC)電機(jī)，更具體而言涉及用于控制正弦繞線交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出的裝置和方法。
背景技術(shù)：
交流電機(jī)用于多種應(yīng)用場(chǎng)合，包括機(jī)動(dòng)車應(yīng)用領(lǐng)域，例如用于牽引控制。用于機(jī)動(dòng)車應(yīng)用領(lǐng)域的交流電機(jī)通常(例如經(jīng)電壓源逆變器)控制為使得電機(jī)相電流為正弦電流。這些交流電機(jī)通常是永磁電機(jī)，其設(shè)計(jì)成具有正弦形反電動(dòng)勢(shì)(emf)波形。將正弦形輸入電流供給到交流電機(jī)通常會(huì)產(chǎn)生最高的平均轉(zhuǎn)矩，而沒(méi)有額外的低頻諧波，該低頻諧波會(huì)導(dǎo)致交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。
當(dāng)在交流電機(jī)的基本輸出周期內(nèi)以更高頻率操作交流電機(jī)時(shí)，電壓源逆變器中的熱應(yīng)力通常會(huì)在開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)中(例如，在基于晶體管-二極管組合的六個(gè)開(kāi)關(guān)中)均勻地分布。在低頻下，包括停止，這些開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)熱阻抗會(huì)在小于該基本輸出周期的周期內(nèi)發(fā)生。因此，電壓源逆變器中的熱應(yīng)力會(huì)短時(shí)期內(nèi)不均勻地分布，一些開(kāi)關(guān)響應(yīng)于該不均勻分布會(huì)升高溫度，從而限制這些開(kāi)關(guān)的載流容量。根據(jù)基波輸出頻率的操作范圍，相對(duì)于較高的基波頻率下操作的電壓源逆變器的輸出電流容量，低頻下電壓源逆變器的輸出電流容量包括直流(DC)會(huì)大幅度減小。
因此，希望提供一種用于在較低操作頻率下控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的方法。此外，還希望提供一種電壓源逆變器，其控制交流電機(jī)以在較低操作頻率下增加轉(zhuǎn)矩輸出。而且，結(jié)合附圖和上述技術(shù)領(lǐng)域及背景技術(shù)，通過(guò)下面的詳細(xì)說(shuō)明和權(quán)利要求，本發(fā)明的其他期望特性和特征將變得清楚明顯。

發(fā)明內(nèi)容
提供用于控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的方法和裝置。在示例性實(shí)施例中，提供一種用于控制交流電機(jī)的方法。該方法包括以下步驟通過(guò)比較交流電機(jī)的基波輸出頻率和預(yù)定頻率來(lái)執(zhí)行第一次比較，通過(guò)比較指令電流和預(yù)定直流的幅值來(lái)執(zhí)行第二次比較，基于第一次比較和第二次比較產(chǎn)生電機(jī)電流，以及將該電機(jī)電流提供給交流電機(jī)。
在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供一種用于控制正弦交流電機(jī)的方法，包括以下步驟檢測(cè)正弦交流電機(jī)的基波輸出頻率和指令電流幅值，當(dāng)基波輸出頻率大于預(yù)定頻率時(shí)產(chǎn)生具有正弦波形的第一電流，當(dāng)基波輸出頻率小于預(yù)定頻率且指令電流幅值小于預(yù)定直流時(shí)產(chǎn)生第一電流，當(dāng)基波輸出頻率小于預(yù)定頻率且指令電流幅值大于預(yù)定直流時(shí)產(chǎn)生具有梯形波形的第二電流，以及將第一電流或第二電流之一提供給正弦交流電機(jī)。
用于控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出的電壓源逆變器包括控制器和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸入連接到控制器，輸出連接到交流電機(jī)。該控制器用于比較交流電機(jī)的基波輸出頻率和預(yù)定頻率，比較電壓源逆變器的指令電流幅值和預(yù)定直流，以及基于基波輸出頻率和指令電流幅值傳送信號(hào)。該開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)用于響應(yīng)于該信號(hào)而產(chǎn)生電流。在一個(gè)實(shí)施例中，基于該信號(hào)，該電流具有正弦波形或者梯形波形。


下面將結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，以及圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的電壓源逆變器的示意圖；圖2是圖1所示的逆變器電路的示意圖；圖3是用于說(shuō)明交流電機(jī)系統(tǒng)的操作的相電流波形；圖4是用于說(shuō)明圖1所示的電壓源逆變器10的操作的、根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的相電流的相電流波形和基波分量波形；圖5是用于說(shuō)明波形特性的梯形波形；圖6是根據(jù)示例性實(shí)施例的相電流波形；圖7是根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的相電流波形；圖8是根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的相電流波形；以及圖9是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于控制電壓源逆變器的方法。
具體實(shí)施例方式
下面的詳細(xì)說(shuō)明實(shí)際上僅僅是示例性的描述，而不用于限制本發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用和使用。而且，不應(yīng)當(dāng)受到上述技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或下面的詳細(xì)說(shuō)明的任何明示或暗示理論的限制。
參照?qǐng)D1，示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的電壓源逆變器系統(tǒng)10。該電壓源逆變器系統(tǒng)10包括控制器32、連接到控制器32的逆變器電路30以及連接到該逆變器電路30的交流(AC)電機(jī)12。通常，控制器32具有第一輸入和第二輸入，其中第一輸入用于接收脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，第二輸入用于接收交流電機(jī)12的基波輸出頻率，例如經(jīng)連接到交流電機(jī)的直接反饋回路或間接經(jīng)逆變器電路30來(lái)進(jìn)行接收?？刂破?2產(chǎn)生由逆變器電路30接收的輸出信號(hào)，該逆變器電路30然后將該輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成用于操作交流電機(jī)12的調(diào)制電壓波形。交流電機(jī)12是例如機(jī)動(dòng)車(例如，牽引驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等等)中通常使用的正弦繞線交流電機(jī)(例如，永磁電機(jī)或感應(yīng)電機(jī))。
圖2是圖1的逆變器電路30的更為詳細(xì)的視圖。逆變器電路30是連接到交流電機(jī)12的三相電路。更具體而言，逆變器電路30包括電壓源(14，16)和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第一輸入連接到電壓源(14，16)，輸出連接到交流電機(jī)12。雖然示出的電壓源(14，16)是具有兩個(gè)串聯(lián)源的分布式交流鏈路，但是也可以使用單個(gè)電壓源。
開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括具有對(duì)應(yīng)于每相的反向并聯(lián)二極管(也就是，反向并聯(lián)每個(gè)開(kāi)關(guān))的三對(duì)串聯(lián)開(kāi)關(guān)。每對(duì)串聯(lián)開(kāi)關(guān)包括第一端連接到電壓源(14，16)的正極的第一開(kāi)關(guān)(18，22，26)和第二端連接到電壓源(14，16)的負(fù)極的第二開(kāi)關(guān)(20，24，28)，并且第二開(kāi)關(guān)的第一端分別連接到第一開(kāi)關(guān)(18，22，26)的第二端。
圖3是用于說(shuō)明交流電機(jī)系統(tǒng)的操作的相電流波形。用于控制交流電機(jī)的傳統(tǒng)電壓源逆變器通常產(chǎn)生三個(gè)均具有幅值(Idc)的正弦形相電流(ia，ib和ic)。為了在更低基波頻率下運(yùn)行交流電機(jī)，通常由傳統(tǒng)電壓源逆變器來(lái)產(chǎn)生具有更低幅值的電流，這又會(huì)降低交流電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
圖4是用于說(shuō)明圖1所示的電壓源逆變器10的操作的、根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的相電流的相電流波形和基波分量波形。在該示例性實(shí)施例中，圖1所示的電壓源逆變器10產(chǎn)生三個(gè)均具有幅值(Idc)的梯形相電流(ia，ib和ic)。每個(gè)梯形相電流(ia，ib和ic)和基波分量(分別是40，42和44)相關(guān)。對(duì)于梯形相電流的給定幅值(Idc)，其基本上等于圖3所示的正弦形相電流的幅值，基波分量(40，42和44)大于圖3所示的正弦相電流的幅值。該較大的基波分量(40，42和44)相對(duì)于直流限度而總體增加了交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。
參照?qǐng)D1和4，控制器32確定交流電機(jī)30的基波輸出頻率何時(shí)小于預(yù)定門(mén)限頻率。該預(yù)定門(mén)限頻率根據(jù)多個(gè)系統(tǒng)目標(biāo)(例如，當(dāng)基波分量超過(guò)輸入正弦電流的幅值時(shí))而定，優(yōu)選為大約3赫茲，但是可以根據(jù)例如模塊設(shè)計(jì)的多種因素而變。該預(yù)定門(mén)限值存儲(chǔ)在控制器32中以便在交流電機(jī)12操作期間實(shí)時(shí)索取。當(dāng)交流電機(jī)30的基波輸出頻率大于該預(yù)定門(mén)限頻率時(shí)，控制器32傳輸?shù)谝恍盘?hào)，指示逆變器電路30輸出三相正弦電流。當(dāng)交流電機(jī)30的基波輸出頻率小于該預(yù)定門(mén)限頻率時(shí)，控制器32則確定來(lái)自逆變器電路30的指令相電流的幅值何時(shí)大于逆變器電路30的直流載流容量(例如，Idc)。當(dāng)來(lái)自逆變器電路30的指令相電流的幅值小于逆變器電路30的直流載流容量時(shí)，控制器32繼續(xù)傳輸?shù)谝恍盘?hào)，以便控制逆變器電路30輸出三相正弦電流。當(dāng)來(lái)自逆變器電路30的指令相電流的幅值大于逆變器電路30的直流載流容量時(shí)，控制器32傳輸?shù)诙盘?hào)，指示逆變器電路30輸出三相梯形電流。此外，控制器32可以構(gòu)造三相梯形電流的形狀，以實(shí)現(xiàn)多種系統(tǒng)目標(biāo)。
圖5是用于說(shuō)明波形特性的梯形波形。該梯形波形的特征在于三個(gè)參數(shù)幅值(Idc)(例如，梯形電流的幅值)、梯形波形的底區(qū)寬度(α1)以及梯形波形的頂區(qū)寬度(α2)。對(duì)于沒(méi)有中性線的三相永磁交流電機(jī)，三相電流的和根據(jù)基爾霍夫定律等于零。因此，寬度(α1和α2)的值根據(jù)以下得出2π/3≤α1≤π，以及α1+α2＝4π/3。
圖6是根據(jù)示例性實(shí)施例的相電流波形，示出當(dāng)α1＝2π/3時(shí)下限相電流(ia、ib和ic)(例如，方波)。類似的，圖7所示的相電流波形示出當(dāng)α1＝5π/6時(shí)的相電流(ia、ib和ic)，圖8所示的相電流波形示出當(dāng)α1＝π時(shí)的上限相電流(ia、ib和ic)。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例用于控制電壓源逆變器的方法的流程圖。參照?qǐng)D1和9，該方法起始于步驟100。在步驟105，控制器32檢測(cè)交流電機(jī)12的基波輸出頻率。然后在步驟110，控制器32確定交流電機(jī)12的基波輸出頻率是否大于預(yù)定頻率。當(dāng)交流電機(jī)12的基波輸出頻率大于預(yù)定頻率時(shí)，控制器32在步驟115產(chǎn)生第一信號(hào)，指示逆變器電路30輸出三相正弦電流(“指令電流”)。當(dāng)交流電機(jī)30的基波輸出頻率小于預(yù)定頻率時(shí)，控制器32在步驟120則確定來(lái)自逆變器電路30的指令相電流的幅值是否大于逆變器電路30的直流載流容量。當(dāng)來(lái)自逆變器電路30的指令相電流的幅值小于逆變器電路30的直流載流容量時(shí)，控制器32在步驟115繼續(xù)輸出第一信號(hào)，控制逆變器電路30輸出三相正弦電流。當(dāng)來(lái)自逆變器電路30的指令相電流的幅值大于逆變器電路30的直流載流容量時(shí)，控制器32在步驟125產(chǎn)生第二信號(hào)，控制逆變器電路30輸出三相梯形電流。在步驟130，三相梯形電流和三相正弦電流由逆變器電路30供給到交流電機(jī)12。此外，控制器32可以選擇梯形波形的底區(qū)寬度(α1)和頂區(qū)寬度(α2)，以使得2π/3≤α1≤π，以及α1+α2＝4π/3。
雖然在前述詳細(xì)描述中說(shuō)明了至少一個(gè)示例性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，還存在許多種變型。還應(yīng)當(dāng)理解的是，示例性實(shí)施例僅僅只是示例，而不用于以任何方式限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用或者結(jié)構(gòu)。相反，前述詳細(xì)描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供便利的路線圖來(lái)實(shí)現(xiàn)這些示例性實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以對(duì)部件的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行變型，而不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求及其法律等價(jià)物來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種用于控制交流(AC)電機(jī)的方法，該方法包括以下步驟通過(guò)比較交流電機(jī)的基波輸出頻率和預(yù)定頻率來(lái)執(zhí)行第一次比較；通過(guò)比較指令電流和預(yù)定直流(DC)的幅值來(lái)執(zhí)行第二次比較；基于第一次比較和第二次比較產(chǎn)生電機(jī)電流；以及將該電機(jī)電流提供給交流電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括控制電壓源逆變器產(chǎn)生該電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該預(yù)定直流包括電壓源逆變器的直流載流容量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括檢測(cè)交流電機(jī)的基波輸出頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括當(dāng)該基波輸出頻率大于預(yù)定頻率時(shí)產(chǎn)生具有正弦波形的電機(jī)電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述執(zhí)行第二次比較的步驟包括當(dāng)該基波輸出頻率小于預(yù)定頻率時(shí)將該指令電流和預(yù)定直流進(jìn)行比較。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括當(dāng)該基波輸出頻率小于預(yù)定頻率且指令電流小于預(yù)定直流(DC)時(shí)產(chǎn)生具有正弦波形的電機(jī)電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括當(dāng)該基波輸出頻率小于預(yù)定頻率且指令電流大于預(yù)定直流時(shí)產(chǎn)生具有梯形波形的電機(jī)電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括當(dāng)該基波輸出頻率小于預(yù)定頻率且指令電流大于預(yù)定直流時(shí)產(chǎn)生具有梯形波形的電機(jī)電流，該梯形波形具有第一波形特性(α1)和第二波形特性(α2)，其中2π/3≤α1≤π且α1+α2＝4π/3。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述執(zhí)行第一次比較的步驟包括將該基波輸出頻率和大約3赫茲的預(yù)定頻率進(jìn)行比較。
11.一種用于控制正弦交流電機(jī)的方法，該方法包括以下步驟檢測(cè)正弦交流電機(jī)的基波輸出頻率和指令電流幅值；當(dāng)基波輸出頻率大于預(yù)定頻率時(shí)產(chǎn)生具有正弦波形的第一電流；當(dāng)基波輸出頻率小于預(yù)定頻率且指令電流幅值小于預(yù)定直流時(shí)產(chǎn)生第一電流；當(dāng)基波輸出頻率小于預(yù)定頻率且指令電流幅值大于預(yù)定直流時(shí)產(chǎn)生具有梯形波形的第二電流；以及將第一電流或第二電流之一提供給正弦交流電機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中該梯形波形具有第一波形特性(α1)和第二波形特性(α2)，其中所述產(chǎn)生第二電流的步驟包括選擇第一波形特性(α1)和第二波形特性(α2)，其中2π/3≤α1≤π且α1+α2＝4π/3。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中當(dāng)基波輸出頻率大于預(yù)定頻率時(shí)產(chǎn)生具有正弦波形的第一電流的所述步驟包括指示電壓源逆變器產(chǎn)生第一電流；其中當(dāng)基波輸出頻率大于預(yù)定頻率且指令電流幅值小于預(yù)定直流時(shí)產(chǎn)生第一電流的所述步驟包括指示電壓源逆變器產(chǎn)生第一電流；以及其中產(chǎn)生第二電流的所述步驟包括控制電壓源逆變器產(chǎn)生第二電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中該預(yù)定直流包括電壓源逆變器的直流載流容量。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中該指令電流幅值包括從電壓源逆變器到交流電機(jī)的相電流幅值。
16.一種用于控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出的電壓源逆變器，該電壓源逆變器包括控制器，該控制器構(gòu)制用于比較交流電機(jī)的基波輸出頻率和預(yù)定頻率；比較電壓源逆變器的指令電流幅值和預(yù)定直流；以及基于基波輸出頻率和指令電流幅值傳送信號(hào)；以及開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸入連接到該控制器，輸出連接到該交流電機(jī)，該開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)用于響應(yīng)于該信號(hào)而產(chǎn)生電流，基于該信號(hào)，該電流的波形選自正弦波形和梯形波形之一。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電壓源逆變器，其中該控制器還構(gòu)制用于當(dāng)該基波輸出頻率大于該預(yù)定頻率時(shí)傳輸?shù)谝恍盘?hào)；當(dāng)該基波輸出頻率小于該預(yù)定頻率且該指令電流幅值小于該預(yù)定直流時(shí)傳輸?shù)谝恍盘?hào)；以及當(dāng)該基波輸出頻率大于該預(yù)定頻率且該指令電流幅值大于該預(yù)定直流時(shí)傳輸?shù)诙盘?hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的電壓源逆變器，其中該開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)還構(gòu)制用于響應(yīng)于第一信號(hào)產(chǎn)生具有正弦波形的第一電流；以及響應(yīng)于第二信號(hào)產(chǎn)生具有梯形波形的第二電流。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的電壓源逆變器，其中該控制器還構(gòu)制用于選擇該梯形波形的第一波形特性(α1)和該梯形波形的第二波形特性(α2)，其中2π/3≤α1≤π且α1+α2＝4π/3；以及基于第一波形特性(α1)和第二波形特性(α2)產(chǎn)生該第二信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的電壓源逆變器，其中該預(yù)定直流包括電壓源逆變器的直流載流容量，以及其中該指令電流幅值包括電壓源逆變器的指令相電流幅值。
全文摘要
提供用于控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的方法和裝置。該方法包括以下步驟通過(guò)比較交流電機(jī)的基波輸出頻率和預(yù)定頻率來(lái)執(zhí)行第一次比較，通過(guò)比較指令電流和預(yù)定直流的幅值來(lái)執(zhí)行第二次比較，基于第一次比較和第二次比較產(chǎn)生電流，以及將該電流提供給交流電機(jī)。
文檔編號(hào)H02P25/02GK101047360SQ20071010163
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者B·韋爾奇科, S·E·舒爾茨, S·希蒂 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司