用于控制电机的电力系统的制作方法

本发明涉及采用逆变器和电机的电力系统，以及其发展和控制。

背景技术：

用于控制电机的高压电力电路可以包括高压dc电源，该高压dc电源电连接至前端dc转dc电力转换器(下文中称为‘前端转换器’)以增大供应至逆变器的高压dc总线的电压。可以在高压dc总线两端设置大容量电容器，以提供电稳定性并且存储补充电能。多相电动机/发电机(诸如永磁同步电机)的操作和控制可以通过采用逆变器以使用从控制器输出的脉宽调制(pwm)控制信号将dc电力变换为ac电力而实现。已知的逆变器可以不同操作模式来控制，包括pwm模式，诸如正弦、迟滞、过调制或空间向量pwm模式)、六步模式或另一种合适模式。

dc总线上的高波纹电流的一个原因是逆变器的操作。当逆变器正以六步逆变器操作模式或其它操作模式操作(其中逆变器的输出以离散步长发生)时，波纹电流的高量值可能是最明显的，从而导致从dc总线吸取大的低频电流波纹分量。此逆变器操作模式是将来自于电机的转矩输出最大化所必需的。可以通过采用低频电子输入滤波器作为逆变器的输入来降低从dc总线吸取的电流波纹的量值，其中电子输入滤波器的大小和功耗是基于电流波纹的量值而确定。然而，此可造成电力电子子系统可占据大部分空间。因此将希望具有能够控制dc总线电压波纹以尤其将采用逆变器控制的六步或其它步长模式来控制电机的系统(包括其中负荷或转矩要求频繁地改变的系统)中的电子输入滤波器的所需大小、功耗和发热最小化的控制系统和方法。

技术实现要素：

描述了一种用于供电以控制电机的电力系统，且该电力系统包括电连接至从高压dc电源供应电力的前端转换器的逆变器以及马达控制系统。描述了一种用于控制前端转换器的方法，且该方法包括监测电机并且基于从高压dc电源供应的电力来确定参考电流。基于电机的监测确定马达电流，且基于马达电流以及电机的监测确定前馈电流。基于参考电流、马达电流和前馈电流确定第一占空比，且基于电机的监测确定前馈占空比。基于前馈占空比和第一占空比确定第二占空比，且基于第二占空比控制前端转换器。

上述特征和优点以及本教导的其它特征和优点从某些最佳模式的以下详述和用于实行如随附权利要求书中限定、结合附图取得的本教导的其它实施例将容易地显而易见。

附图说明

现在将通过实例方式参考附图描述一个或多个实施例，在附图中：

图1示意地说明根据本发明的用于供电以控制电机的电力系统的一个实施例，该电力系统包括电连接至从高压dc电源供应电力的前端转换器的逆变器以及马达控制系统；以及

图2以图形说明根据本发明的用于设置成控制参考图1描述的电力系统的实施例的马达控制系统的控制参数的量值，其中该控制参数是关于时间示出的六步速率限制器ssrl，包括指示前端转换器被命令以六步模式操作时的时间点。

具体实施方式

现在参考附图，其中描绘的目的仅是为了说明某些例示性实施例而并非为了限制该实施例，图1示意地说明用于供电以操作并且控制电机10的电力系统的一个实施例。电力系统优选地包括电连接至前端转换器30的电力逆变器20，该前端转换器从高压dc电源40供应电力。前端转换器30经由包括大容量电容器28的高压dc总线26电连接至电力逆变器20，并且操作为dc转dc电力转换器以增大供应至高压dc总线26的电力的dc电压电平。马达控制系统100设置成监测并且控制电力逆变器20、前端转换器30和高压dc电源40。马达控制系统100控制电力逆变器20和前端转换器30以采用经由前端转换器30和高压dc总线26从高压dc电源40供应的电力操作电机10。在一个非限制性实施例中，电力系统可以在车辆上采用作为推进系统的元件。与用于电力逆变器20、前端转换器30、高压dc电源40、高压dc总线26和大容量电容器28的马达控制系统100有关的设计和控制特征可以如本文所述般发展和分派。

电机10可以是马达/发电机或另一种合适的多相电机(例如，永磁装置)。电力逆变器模块20经由高压dc总线26电连接至高压dc电源40。电力逆变器模块20包括电设置在高压dc总线26的正导体与负导体之间的大容量电容器28。旋转位置传感器12设置成监测电机10的旋转输出构件的旋转位置，由该旋转位置可以确定马达速度/位置13。旋转位置传感器12可以是解算器、霍尔效应传感器、另一种合适的旋转位置感测装置，或虚拟软件替换。

在一个实施例中，马达控制系统100包括电压源逆变器(vsi)或用于控制逆变器20的其它马达控制器50，且电机10是包括设置成星形配置的定子和转子的永磁同步装置，但是本文所述的概念并无此限制。马达控制器50通过逆变器20控制电机10中的转矩输出，该逆变器经由前端转换器30电连接至高压dc电源40。用于在逆变器状态之间切换以调节电机10的转矩输出的控制方法可以包括以pwm模式或六步模式操作。在pwm模式中，逆变器20在非零状态中的两个状态和零状态之间快速切换。马达控制器50通过指定pwm占空比来指定三个状态中的每个状态中消耗哪个时间分率。马达控制器50以规则的时间间隔更新pwm占空比使得更新频率显著高于转子旋转的频率。在六步模式中，逆变器20控制成在电机10的每个电循环时将开关24在六个非零状态中循环一次以在每个定子绕组中产生ac电压和电流。电循环是相对于马达磁极限定并且不一定对应于转子的完整回转。本领域技术人员了解控制逆变器20以操作电机10的细节。

除线性模式外，马达控制器50还优选地包括限流器和用于控制逆变器20的操作以控制电机10以过调制和六步模式进行的操作的六步电压控制器。ac电压的振幅是由经由前端转换器30电连接至高压电源40的高压dc总线26上的dc电压的量值所决定。转矩是由dc电压、转子速度和这些准正弦ac电压信号与转子位置之间的相差所决定，并且进一步通过以六步模式操作控制系统来控制。马达控制器50经由逆变器栅极驱动22发出命令至逆变器20，该命令指示何时切换至序列中的下一个状态。

电力逆变器模块20优选地电设置在前端转换器30与电机10之间，并且包括多个开关24，该开关设置为电串联连接在高压dc总线26的正导体与负导体之间的开关对。如所示，电机10被配置为三相装置，且电力逆变器模块20包括三个开关对，其中每个开关对均连接至电机10的一个相。开关对的每个开关24可以是具有并联设置的二极管的绝缘栅双极型晶体管(igbt)或另一个合适的高压开关(例如，场效应晶体管(fet)或碳化硅(sic)fet)。逆变器栅极驱动电路22优选地包括多个栅极驱动和控制器，其中逆变器栅极驱动电路22产生控制信号23以响应于源自于马达控制系统100的控制信号51(例如，脉宽调制控制信号)而控制开关24的启动和停用。电力逆变器模块20包括具有电容器、电阻器的其它电部件以及其它电路部件以实现与电噪声消除、负荷平衡等有关的功能。

电流传感器14设置成监测传递至电机10的a、b和c相的电流ia、ib和ic15的量值。在其中电机10设置成字母y配置(未示出)的实施例中，可以监测电流中的仅两个电流。电流传感器14可以采用任何合适的电流感测技术，包括(例如)磁场产生监测或电压差监测。

大容量电容器28可以是任何合适的电容存储装置，例如电解铝装置、陶瓷装置或膜装置。大容量电容器28的大小可以根据其总电容来描述，并且可以基于高压dc总线26上的波纹电压的振幅以及其它因素来选择。如本领域技术人员理解，大容量电容器的电容是关于包括峰值电流、rms电流(其是波纹电压的参数化值)、最小和最大总线电压电平、操作温度和其它因素的参数而确定。因而，大容量电容器28的大小(根据其电容来说)可以基于采用六步操作模式操作逆变器20时的预期dc总线电压波纹来选择。大容量电容器28为了便于说明而被示为单个装置。应明白的是，大容量电容器28可以由多个电容器装置组成，该电容器装置设置成电串联、并联或任何其它合适的电配置以提供高压dc总线26的正导体与负导体之间的电路中的电容。电压感测系统设置成监测总线电势vdc18，其是在高压dc总线26的正导体和负导体两端测量。

在一个实施例中且如所示，前端转换器30包括设置成开关对的两对开关34，其电连接至高压dc电源40并且还电连接在高压dc总线26的正导体与负导体之间。如所示，前端转换器30包括设置在高压dc总线26的正导体与负导体之间的两个开关对。开关对的每个开关34可以是具有并联设置的二极管的绝缘栅双极型晶体管(igbt)或另一个合适的高压开关(例如，场效应晶体管(fet)或碳化硅(sic)fet)。每个开关对均对应于电机10的一个相。升压栅极驱动电路32优选地包括多个栅极驱动和控制器，其中升压栅极驱动电路32产生控制信号33以响应于源自于马达控制系统100的升压控制信号93(例如，脉宽调制控制信号)而控制开关34的启动和停用。前端转换器30包括具有电容器、电阻器的其它电部件以及其它电路部件以实现与电噪声消除、负荷平衡等有关的功能。电力逆变器模块20、前端转换器30和电机10的电设置为本领域技术人员所已知。

高压dc电源40可以是任何合适的电源，例如，锂离子电池或超级电容器。电压感测系统设置成监测从高压dc电源40供应至前端转换器30的电池电势vbatt41。电流传感器16设置成监测从高压dc电源40传递至连接一个开关对与前端转换器30的节点的电流(例如，升压电流iα17)的量值。

马达控制系统100控制电力逆变器20和前端转换器30以采用经由前端转换器30和高压dc总线26从高压dc电源40供应的电力操作电机10。马达控制系统100可以设置为单式控制器或各自具有具体操作需求的多个控制器。如所示，马达控制系统100包括产生传送至逆变器栅极驱动电路22的马达控制信号51的马达控制器50，和产生传送至升压栅极驱动电路32的升压控制信号93的升压控制器70。

马达控制器50监测马达控制系统100中的信号输入(21)，其中此信号监测采取诸如模拟/数字转换的合适形式。监测的信号输入包括设置成监测电机10的a、b和c相的输入的电流传感器14中的电流ia、ib和ic15、从高压dc电源40至前端转换器30的升压电流iα17、从高压dc电源40供应至前端转换器30的电池电势vbatt41、高压dc总线26的正导体和负导体两端的总线电势vdc18，以及电机10的旋转输出构件的马达速度/位置13。马达控制器50还监测可以基于对电力的操作者请求而产生在另一个控制器中的马达转矩命令。

马达控制器50执行多个控制例程以确定与电机10相关联的各种控制和操作状态。

马达控制器50的一个操作包括pwm控制例程52，其确定传送至逆变器栅极驱动电路22以控制逆变器20的马达控制信号51。马达控制信号51可以呈基于马达转矩命令、马达速度/位置13、电流15和总线电势vdc18确定的脉宽调制(pwm)信号的占空比的形式。相反地，马达控制信号51可以呈用于以六步模式操作且基于马达转矩命令、马达速度/位置13、电流15和总线电势vdc18确定的pwm信号的六步占空比的形式。

本领域技术人员能够开发并且实施确定马达控制信号51的合适pwm控制例程52。马达控制信号51优选地包括da、db和dc占空比控制信号，其中da表示与控制逆变器20的开关对中电连接至电机10的第一管脚的第一开关对相关联的占空比，db表示与控制逆变器20的开关对中电连接至电机10的第二管脚的第二开关对相关联的占空比，且dc表示与控制逆变器20的开关对中电连接至电机10的第三管脚的第三开关对相关联的占空比。

马达控制器50执行dc电流例程60以根据以下等式确定dc马达电流idc59：

idc＝da*ia+db*ib+dc*ic[1]

其中：

idc表示dc逆变器电流，

da、db和dc表示第一、第二和第三占空比控制信号，且

ia、ib和ic表示输入至电机10的a、b和c相的电流。

马达控制器50执行平均电流例程58以采用三相电系统至dq参考系的数学变换(通常称作park变换)来确定平均电流idc_ave57，该参考系可以用于简化分析和控制。dq参考系包括直(d)轴和正交(q)轴，其中d轴与马达转矩相关联且q轴与马达磁通量相关联。平均电流idc_ave57可以根据以下等式确定：

idc_ave＝3*(vd*id+vq*iq)/(2*vdc)[2]

其中：

idc_ave表示平均逆变器电流，

vd表示直轴电压，

id表示直轴电流，

vq表示正交轴电压，

iq表示正交轴电流，且

vd表示高压dc总线26的正导体和负导体两端的总线电势vdc18。

马达控制器50执行dc电流波纹例程54以根据以下等式确定dc波纹电流idc_ripple53的量值：

idc_ripple＝idc–idc_ave[3]

其中：

idc_ave是在等式2中计算的平均电流，且

idc是在等式1中计算的dc电流。

马达控制器50可以执行符合以六步模式操作马达控制器50的命令的六步转变例程56。六步转变例程56确定基于时间的六步速率限制器ssrl55，其促进以pwm模式控制前端转换器30与以六步模式控制前端转换器30之间的转变。马达控制器可以请求由六步有效标志确定的六步操作，该标志在图2中的时间点155处指示。当六步有效标志设置为真时，控制器将直接命令六步占空比，否则，其将提供pwm占空比。对于升压控制器，施用六步速率限制器至六步有效标志以提供用于升压控制器的前馈项的平稳转变。六步转变例程56引入六步速率限制器ssrl55，其是具有介于0.0与1.0之间且关于命令以六步模式操作后经过的时间确定的值的倍数。图2以示出控制参数100，其关于水平轴上的时间在垂直轴上指示六步速率限制器ssrl55的量值，其中时间点155处命令六步模式。因为平均dc电流计算例程58在转变为六步模式期间且在六步模式的操作期间并未提供正确波形，所以执行六步转变例程56。六步速率限制器ssrl55由升压控制器70所采用。在非六步模式中，仅马达电流idc可以用作前端转换器30的前馈项，其可以在线性和过调制区域的瞬时操作期间向前端转换器30提供正确波形。然而，在六步模式的操作期间，使用马达电流idc作为前馈项无法提供最佳波纹消除结果。因此，马达电流分离为平均dc电流和波纹dc电流。平均dc电流用于补偿由于电机中的突然负荷/转矩变化引起的平均波纹，且波纹dc电流用于补偿由六步操作引起的波纹电压。摆率限制器施用至六步有效标志以在转变为六步操作时提供合适的瞬时响应。

升压控制器70包括呈可执行指令和预定刻度的形式的升压控制例程71，该升压控制例程基于dc马达电流idc59、平均电流idc_ave57和dc波纹电流idc_ripple53、考虑六步速率限制器ssrl55、总线电势vdc18、命令的总线电势vdc*19、电池电势vbatt41和前端转换器30的升压电流iα17来产生升压控制信号93。当前端转换器30正以pwm模式或六步模式操作时，升压控制例程71提供前馈补偿项，该前馈补偿项单独加至平均控制器元件和占空比命令发生器以实现更佳的瞬时和稳定状态性能。

升压控制例程71包括第一前馈补偿例程74以基于dc马达电流idc59、平均电流idc_ave57和六步速率限制器ssrl55如下确定前馈dc电流idc_ffd73：

idc_ffd＝(1-ssrl)*idc+ssrl*idc_ave[4]

基于总线电势vdc18除以电池电势vbatt41的比率调整前馈dc电流idc_ffd73(74)以产生调整的前馈dc电流idc_ffd75。如明白的是，当前端转换器30并未以六步模式操作或并未转变为以六步模式操作时，六步速率限制器ssrl55具有0.0的值，且因此基于dc马达电流idc59确定前馈dc电流idc_ffd73。

总线电势vdc18与命令的电势vdc^*19之间的差值81是经由差值算子80确定并且进行比例-积分控制例程82以确定参考电流iref83。

调整的前馈dc电流idc_ffd75经由加法算子84加至参考电流iref83以确定总和85，其经由乘法算子86乘以0.5倍以确定第一命令的升压电流iα^*87。第一命令的升压电流iα^*87经由加法算子88加至升压电流iα17以确定总升压电流iα-tot89。总升压电流iα-tot89输入至pi控制器90，从而基于该总升压电流命令确定用于控制升压栅极驱动电路32的占空比d^*91。

第二前馈补偿例程76执行以基于六步速率限制器ssrl55和dc波纹电流idc_ripple53如下提供前馈补偿占空比dripple77。

dripple＝(idc_ripple*ssrl)/(2*iα)[5]

前馈补偿占空比dripple77与命令的占空比d^*91结合(92)以确定用于控制升压栅极驱动电路32的升压控制信号93。

如所明白的是，当前端转换器30并未以六步模式操作或并未转变为以六步模式操作时，六步速率限制器ssrl55具有0.0的值，且因此前馈补偿占空比dripple77具有0.0的值，即，不存在前馈补偿。

以此方式，源自于马达控制器50的前馈补偿项单独加至前端电压控制器和占空比命令发生器以减少前端转换器30在与六步操作相关联的线性区域和过调制区域中的pwm操作期间的dc总线电压波纹，包括通过前馈补偿的dc总线电压波纹消除。

补偿项产生在马达控制器内部，并且优选地修正来解决计算和通信延时，且可以经由高速数字通信链路传送至升压控制器。因而，dc总线电压波纹消除可以由在升压控制器70中执行的升压控制例程71而非采用pwm整流器电路来实现。在给定固定dc电路电压波纹规格的情况下，dc总线电压波纹的减少可以促进dc链路电容器大小的显著减小。

术语控制器、控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语是指专用集成电路(asic)、电子电路、中央处理单元(例如，微处理器)以及呈存储器和存储装置(只读、可编程只读、随机访问、硬盘等)的形式的相关非暂时性存储器部件的任何一个或各种组合。非暂时性存储器部件能够存储呈一个或多个软件或固件程序或例程的形式的机器可读指令，是组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路，以及可由提供所描述功能性的一个或多个处理器访问的其它部件。输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器以及监测来自传感器的输入的相关装置，其中此类输入以预设采样频率或响应于触发事件而监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语意味着包括刻度和查找表的任何控制器可执行指令集。每个控制器执行控制例程以提供理想的功能，该功能包括监测来自感测装置和其它联网控制器的输入以及执行控制和诊断指令以控制致动器的操作。例程可以规则的间隔而执行，例如正进行的操作期间每100微秒执行一次。替代地，例程可以响应于触发事件的发生而执行。控制器之间的通信和控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线点对点链路、联网通信总线链路、无线链路或任何另一种合适的通信链路而实现。通信包括以任何合适形式交换数据信号，包括(例如)经由导电介质交换电信号、经由空气交换电磁信号、经由光学波导交换光学信号等。数据信号可以包括表示来自传感器的输入的模拟、离散或数字化模拟信号、表示致动器命令的信号和控制器之间的通信信号。术语“信号”是指传达信息的任何物理上可辨别指示器，并且可以是能够行进通过介质的任何合适的波形(例如，电、光学、磁性、机械或电磁)，诸如dc、ac、正弦波、三角波、方形、振动等。术语'模型'是指基于处理器或处理器可执行代码以及模拟装置或物理过程的物理存在的相关刻度。如本文所使用，术语'动态的'和'动态地'描述了实时执行并且以监测或以其它方式确定参数的状态和在例程的执行期间或例程执行的迭代之间规则地或定期地更新参数的状态为特征的步骤或程序。

流程图和流程图中的方框图说明了根据本发明的各个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方案的架构、功能性和操作。关于这一点，流程图或方框图中的每个方框可以表示模块、代码段或部分，其包括用于实施指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意的是，流程图和/或流程图说明中的每个方框以及方框图和/或流程图说明中的方框的组合可以由执行指定功能或作用的基于专用硬件的系统或专用硬件与计算机指令的组合来实施。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可指导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式运作，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实施流程图中指定的功能或作用的指令的制品。

详述和附图或图支持并且描述本教导，但是本教导的范围仅仅是由权利要求限定。虽然已详细地描述了用于实行本教导的某些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践随附权利要求书中限定的本发明的各种替代设计和实施例。