用于操控逆变器的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于借助于空间矢量脉宽调制来操控逆变器（10）、尤其是用于操控电机（14）的方法，其中逆变器（10）具有多个可控开关（S）并且被构造为提供电压空间矢量（V*）形式的多相电压（U，V，W），其中可控开关（S）被操控为使得开关（S）的不同接通时长被设定并且开关（S）的多个彼此相继的不同开关状态（V0－V7）被设立为提供电压空间矢量（V*），其中如果所述开关（S）之一在脉宽调制周期（T）期间的接通时长低于预定义的阈值（44），则延长开关（S）在脉宽调制周期（T）期间的接通时长。
【专利说明】用于操控逆变器的方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于借助于空间矢量脉宽调制来操控逆变器、尤其是操控电机的 方法，其中该逆变器具有多个可控开关并且被构造为提供电压空间矢量形式的多支线电 压，其中所述可控开关被操控为使得所述开关的不同接通时长被设定并且所述开关的多个 彼此相继的不同开关状态被设立为提供该电压空间矢量。
[0002] 本发明还涉及一种用于借助于空间矢量脉宽调制来操控逆变器、尤其是操控电机 的装置，其中该逆变器具有多个可控开关，所述可控开关被构造为提供电压空间矢量形式 的多支线电压；具有控制设备，该控制设备被构造为将所述可控开关操控为使得所述开关 的不同接通时长被设定并且该逆变器采取所述开关的多个彼此相继的不同开关状态，以便 提供该电压空间矢量。
[0003] 最后，本发明涉及一种机动车辆驱动系统，该机动车辆驱动系统具有至少一个用 于提供驱动功率的电机、用于操控电机的逆变器以及用于操控上述类型的逆变器的装置。
【背景技术】
[0004] -般而言在旋转电流耗电器的领域中以及尤其是在旋转电流电机的领域中已知 有不同的操控方法。在此，当前通常优选空间矢量调制方法来操控旋转电流耗电器。在该 操控方法中，通过彼此相继地设定八个基本电压空间矢量来形成控制矢量。为了提供支线 电压，该基本电压空间矢量以脉宽调制的方式被开关，使得生成相应的操控电压。
[0005] 通过逆变器的可控开关的经限制的开关时间来限制逆变器的可设定工作范围或 最大操控度，也就是说将开关的各个开关脉冲的时长限制到最小时长。为了提高逆变器的 可设定工作范围或尽管可控开关的开关时间被限制也仍然能够设定各个工作范围，在DE 10 2008 040 144 Al中提出，将可控开关在脉宽调制周期内的接通时间分别缩短最短接通 开关的接通时长。由此，可控开关之一在整个脉宽调制周期中不被接通，并且其余开关分别 被缩短最短接通开关的接通时长。由此，结果两个无电压地开关的开关状态中的一个被另 一无电压地开关的开关状态代替。
[0006] 该方法的缺点是，在确定的开关顺序的情况下或在可控开关的其中两个最短接通 的可控开关的接通时长具有相似时长的开关序列的情况下，开关的最小容许的脉冲时长可 被低于。
[0007] 另外，上述方法可导致功率半导体开关的非对称的、尤其是热学的负荷，以及导致 平均星点电压的移动。
【发明内容】
[0008] 因此，根据本发明提供了开头所述类型的用于借助于空间矢量脉宽调制来操控逆 变器的方法，其中如果所述开关之一在脉宽调制周期期间的接通时长低于预定义的阈值， 则延长所述开关在该脉宽调制周期期间的接通时长。
[0009] 另外，根据本发明提供了开头所述类型的用于操控逆变器的装置，其中控制设备 被构造为在所述开关之一在脉宽调制周期期间的接通时长低于预定义的阈值的情况下延 长所述开关在该脉宽调制周期期间的接通时长。
[0010] 最后，根据本发明提供一种机动车辆驱动系统，该机动车辆驱动系统具有至少一 个用于提供驱动功率的电机和用于操控电机的逆变器并且具有用于操控上述类型的逆变 器的装置。
[0011] 本发明的优点 通过在一般而言设定开关的较短接通时长的情况下延长开关的接通时长，可以避免开 关的不容许地短的脉冲时长，使得可以展宽可设定工作范围。另外，由此可以避免逆变器的 不对称、尤其是热学负荷。
[0012] 优选地使用具有开关的平均接通时长的开关接通时长。
[0013] 换言之，如下开关的接通时长被使用：所述开关具有次最长的或次最短的接通时 长或既不具有开关的最长接通时长、也不具有开关的最短接通时长。
[0014] 由此可以以简单手段识别开关的特别关键的开关序列，在所述开关的情况下，可 能导致不容许地短的接通或关断时间。
[0015] 优选地将所述开关的接通时长延长分别相同的时长。
[0016] 由此不改变所提供的电压空间矢量，由此同时不影响对受操控的负载的操控。
[0017] 此外优选的是，将在脉宽调制周期内具有最长接通时间的开关接通时长延长为使 得所述开关在整个脉宽调制周期内被接通。
[0018] 由此可以放弃整个脉宽调制周期期间的零矢量，由此可以实现逆变器中的有针对 性的负载分布，而不影响对负载的操控。
[0019] 此外优选的是，开关的接通时长被延长的时长对应于脉宽调制周期时长与具有最 长接通时长的开关接通时长之差。
[0020] 由此可以改变接通时长，而不改变要设定的电压空间矢量并且因此妨害对所操控 负载的操控。
[0021] 此外优选的是，开关的接通时长是开关的占空比，并且预定义的阈值是50%的占 空比。
[0022] 由此可以以在调节技术上简单的手段来确定开关的接通时长接近最小操控度的 关键操控序列，并且相应地匹配对开关的操控。
[0023] 此外优选的是，如果开关的接通时长超过预定义的第二阈值，则缩短所述开关的 接通时长。
[0024] 由此可以检测如下情况：其中开关的接通时长接近最大操控度，并且相应地匹配 对开关的操控。
[0025] 在此还优选的是，开关的接通时长被分别缩短相同的时长，使得具有最短接通时 长的开关在整个脉宽调制周期内被断开。
[0026] 由此仅仅取消了零矢量之一，由此不影响所提供的电压空间矢量和对所操控负载 的操控。
[0027] 此外优选的是，如果开关的接通时长对应于第一和第二阈值之间的预定义的值范 围，则开关的相应接通脉冲在脉宽调制周期内被移动。
[0028] 由此可以在从一种操控情况到另一操控情况的过渡区域中保证两个开关过程之 间的最小间隔，并且因此开关的接通时长或关断时长不超过操控度的极限。
[0029] 此外优选的是，第一和第二阈值为相同的。
[0030] 由此可以利用简单的手段形成接通时长的缩短与接通时长的延长之间的过渡。
[0031] 在此特别优选的是，如果接通时长从大于第一阈值的值改变为小于第一阈值的 值，则将开关的接通脉冲移动到脉宽调制周期的结尾处。
[0032] 由此可以以简单手段形成到持续接通开关之一的过渡。
[0033] 此外优选的是，如果开关的接通时长从小于第二阈值的值改变为大于第二阈值的 值，则将开关接通脉冲移动到脉宽调制周期的开头处。
[0034] 由此可以设定从持久接通开关之一的脉宽调制周期到持久关断开关之一的脉宽 调制周期的过渡，由此接通时长和关断时长不超过不容许的值。
[0035] 特别优选的是，在恰好一个脉宽调制周期中移动开关的接通时长，以便将接通脉 冲与相应的在先脉宽调制周期以及接下来的脉宽调制周期相匹配。
[0036] 此外优选的是，划分相应开关的接通脉冲，并且将经划分的接通脉冲分别移动到 脉宽调制周期的开头处和结尾处。
[0037] 由此，脉宽调制周期可以分别以零电压矢量开始和结束。
[0038] 结果，可以通过本发明扩大可设定工作范围，因为具有不容许的接通或关断时长 的开关状态被设定相同的电压空间矢量的开关序列代替。另外，可以通过改变接通时长以 及尤其是通过改变无电压地开关的开关状态或零矢量来一般而言更加对称地给逆变器加 载荷。
[0039] 能够理解，根据本发明的方法的特征、特点和优点也可以相应地适用于或应用于 根据本发明的装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 图1以示例性形式示出了用于操控电机的逆变器； 图2示出了阐述用于操控逆变器的空间矢量调制方法的复矢量图； 图3以示意性形式示出了用于设定不同电压空间矢量的三个支线电压的变化曲线； 图4以示意性形式示出了脉宽调制周期的三个支线电压的变化曲线，其中可控开关之 一被持久地关断； 图5以示意性形式示出了三个支线电压的变化曲线，其中达到最小操控度； 图6以示意性形式示出了脉宽调制周期内的三个支线电压的变化曲线，其中可控开关 之一被持久地接通； 图7以示意性形式示出了阐述空间矢量调制的不同操控范围的复矢量图； 图8a、b以示意性形式示出了具有大于50%的平均占空比的脉宽调制周期内的三个支 线电压； 图9a、b以示意性形式示出了具有小于50%的平均占空比的脉宽调制周期内的三个支 线电压； 图10a、b以示意性形式示出了脉宽调制周期内的三个支线电压，其中电压脉冲被转移 到脉宽调制周期的开头和结尾； 图11a、b以示意性形式示出了逆变器的操控的过渡区域中的脉宽调制周期内的三个 支线电压；以及 图12a、b以示意性形式示出了逆变器的两种操控方式之间的过渡区域中的脉宽调制 周期内的三个支线电压。
【具体实施方式】
[0041] 图1中根据开关S所提供的相U、V、W以及根据到直流电压源12的高电势或直流 电压源12的低电势的分配用SHA、SLA、SHB、SLB、SHC、SLC来表示开关S。相应地用DHA、 DLA、DHB、DLB、DHC、DLC来表示空转二极管。
[0042] 通过交替地断开和闭合开关S，在相导线U、V、W之间分别施加操控电压，使得相应 地分别产生驱动电机14的相电流IU、IV、IW。逆变器10优选地借助于半导体开关来构造。 逆变器的开关借助于示意性示出的控制单元18被交替地断开和闭合，以便提供具有确定 变化曲线的相电压并且提供电压空间矢量以及相应地给电机14接通相电流IU、IV、IW。在 此，电压矢量由逆变器10来提供，然后根据所操控的负载相应地产生电流空间矢量。
[0043] 图2中示出了阐述用于操控旋转电流耗电器14或电机14的空间矢量调制的复矢 量图，并将该复矢量图总体上用20来表示。
[0044] 在矢量图20中示出了电机14的具有操控角Alpha的电压矢量V'在矢量图20 中还示出了 6个基本电压矢量￥1、￥2、￥3、￥4、￥5、￥6，这些基本电压矢量￥1、￥2、￥3、￥4、￥5、 V6在逆变器10的开关S中的各个或两个被闭合并且电机被相应地操控时得出。为了将电 压矢量f设定为具有最大长度，该电压矢量在本示例中具有基本电压矢量Vl和V2之间的 操控角Alpha，该电压矢量通过根据基本电压矢量Vl和基本电压矢量V2交替地操控逆变器 10而实现。两个基本电压矢量V1、V2交替地用预定义的开关频率来设定，使得在基本电压 矢量VI、V2的接通时长相同的情况下得出具有30°相角的电压矢量V'如果必须将电压 矢量f设定为具有较大操控角Alpha，则相应地延长基本电压矢量V2的接通时长并且缩短 基本电压矢量Vl的接通时长。因此，可以通过时钟控制地操控逆变器10的开关S来实现 具有任意操控角Alpha的电压空间矢量V'
[0045] 如果电压矢量V#如在图2中所示情况下那样应当被设定为具有比基本电压空间 矢量VI、V2更小的数值(较小长度)，则相应地设定零电压矢量VO、V7,在零电压矢量情况下 逆变器10的上侧的开关SHA、SHB、SHC或下侧的开关SLA、SLB、SLC被断开。开关S中的分 别其他开关被相应地闭合。电压矢量f可以相应地通过基本电压空间矢量Vl和V2以及 零电压矢量VO、V7之一的组合来实现。
[0046] 为了给耗电器14或电机14通电，通过如下方式来提供电压空间矢量V* :快速连 续地相继设定不同的基本电压空间矢量Vl - V6和零电压矢量V0、V7。由此，逆变器10的 不同的开关S和不同的空转二极管D在相应快地旋转的电压空间矢量V*的情况下被均匀 地加载荷、尤其是按相均匀地加载荷。如果电压空间矢量f的旋转频率非常小或为零(例 如在电机10的转速小的情况下)，则相U、V、W的逆变器10的相应开关S和空转二极管D在 长时期内都被加载荷，使得可能出现相应开关S和空转二极管D的过载，并且逆变器10的 开关S和空转二极管D -般而言被非均匀地、尤其是按相非均匀地被加载荷。为了防止开 关S和空转二极管D中的个别过载，必须采取措施以便将载荷分布到开关S和空转二极管 D中的不同开关和空转二极管上。
[0047] 在图3中示出了脉宽调制周期T内的三个相U、V、W的相电压的变化曲线，以便相 继设定基本电压空间矢量V0、VI、V2、V7。在脉宽调制周期T内，可以改变各个基本电压空 间矢量V0、VI、V2、V7的接通时长t0、tl、t2、t7,以便能够精确地设定电压空间矢量V'
[0048] 由于可控开关的惯性，必须遵循开关的两个开关时刻之间的最小时间间隔。该最 小间隔既是在接通时间之间、也是在关断时间之间所需的。由于器件的该惯性，可设定工作 范围以及通过下列公式计算的最大操控度减小：
【权利要求】
1. 用于借助于空间矢量脉宽调制来操控逆变器（10)、尤其是用于操控电机（14)的方 法，其中逆变器（10)具有多个可控开关（S)并且被构造为提供电压空间矢量（V，形式的多 相电压（U，V，W)，其中可控开关（S)被操控为使得开关（S)的不同接通时长被设定并且开关 (S) 的多个彼此相继的不同开关状态（V0 - V7)被设立为提供电压空间矢量（V#)，其特征在 于，如果所述开关（S)之一在脉宽调制周期（T)期间的接通时长低于预定义的阈值（44)，则 延长开关（S)在该脉宽调制周期（T)期间的接通时长。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中使用具有开关（S)的平均接通时长的开关（S)的 接通时长。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中将接通的开关（S)的接通时长延长分别相同 的时长。
4. 根据权利要求1至3之一所述的方法，其中将在脉宽调制周期（T)内具有最长接通 时间的开关（S)的接通时长延长为使得所述开关（S)在整个脉宽调制周期（T)内被接通。
5. 根据权利要求1至3之一所述的方法，其中开关（S)的接通时长被延长的时长对应 于脉宽调制周期时长（T)与具有最长接通时长的开关（S)的接通时长之差。
6. 根据权利要求1至4之一所述的方法，其中开关（S)的接通时长是开关（S)的占空 t匕，并且预定义的阈值（44)是50%的占空比。
7. 根据权利要求1至6之一所述的方法，其中如果开关（S)的接通时长超过预定义的 第二阈值（44)，则缩短开关（S)的接通时长。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中开关（S)的接通时长被分别缩短相同的时长，使得 具有最短接通时长的开关（S)在整个脉宽调制周期（T)内被断开。
9. 根据权利要求1至8之一所述的方法，其中如果开关（S)的接通时长对应于第一和 第二阈值（44)之间的预定义的值范围（44)，则开关（S)的相应接通脉冲在脉宽调制周期 (T) 内被移动。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中第一和第二阈值（44)为相同的。
11. 根据权利要求9或10所述的方法，其中如果接通时长从大于第一阈值（44)的值改 变为小于第二阈值（44)的值，则将开关（S)的接通脉冲移动到脉宽调制周期（T)的结尾处。
12. 根据权利要求10或11所述的方法，其中如果开关（S)的接通时长从小于第二阈 值（44)的值改变为大于第二阈值（44)的值，则将开关（S)的接通脉冲移动到脉宽调制周期 (T)的开头处。
13. 根据权利要求1至10所述的方法，其中划分相应开关（S)的接通脉冲，并且将经划 分的接通脉冲分别移动到脉宽调制周期（T)的开头处和结尾处。
14. 用于借助于空间矢量脉宽调制来操控逆变器（10)、尤其是用于操控电机（14)的装 置（18)，其中逆变器（10)具有多个可控开关（S)并且被构造为提供电压空间矢量（V，形式 的多相电压（U，V，W)，具有控制设备，所述控制设备被构造为将可控开关（S)操控为使得开 关（S)的不同接通时长被设定并且逆变器（10)采取开关（S)的多个彼此相继的不同开关 状态（V0, V7)，以便提供电压空间矢量（V#)，其特征在于，控制设备（18)被构造为在所述开 关（S)之一在脉宽调制周期（T)期间的接通时长低于预定义的阈值（44)的情况下延长开关 (S)在该脉宽调制周期（T)期间的接通时长。
15. 机动车辆驱动系统，其具有至少一个用于提供驱动功率的电机（14)、用于操控 电机（14)的逆变器（10)、并且具有根据权利要求14所述的用于操控逆变器（10)的装置 (18)。
【文档编号】H02M7/5387GK104396135SQ201380032314
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年4月24日 优先权日:2012年6月22日
【发明者】T.维夏, M.达姆森 申请人:罗伯特·博世有限公司