用于电力逆变器的控制装置的制造方法
【专利摘要】公开了一种用于电力逆变器的控制装置。逆变器控制装置通过操作对应于各相的开关设备来执行连接至旋转机的3相逆变器的PWM控制。在连续处理周期的每一个中，应用PWM控制以满足第一和第二条件。第一条件是对应于处理周期期间的逆变器的最高电压相的开关设备的状态在整个处理周期中保持固定。第二条件是对应于该逆变器的最低电压相的开关设备在处理周期期间比对应于逆变器的中间电压相的开关设备经历更多次开关操作。流入旋转机的AC电流中的谐波分量的频率由此可上升到可听范围以上，从而抑制可听机械噪声，而不显著增加开关损耗量。
【专利说明】用于电力逆变器的控制装置
【背景技术】
[0001] 本发明涉及用于执行DC与AC电力之间的转换的电力逆变器(下文简单地总称为逆 变器)的控制装置。具体地，本发明涉及用于3相逆变器的控制装置，该3相逆变器具有分别 对应于三相的三对串联的开关设备，此逆变器用来操作3相同步旋转机。
[0002] 由三相逆变器的开关设备的开关操作的PWM(脉宽调制)控制产生的谐频分量叠加 于在逆变器与旋转机之间流动的AC电流上。谐波分量通过造成旋转机的一些部分的振动产 生可听噪声并且还造成增加的开关损耗。因此，期望减小这种谐频分量的影响。
[0003] 已提出一种方法以在使用常规3相调制的同时处理此问题，该方法将逆变器的开 关频率(PWM载波频率)增加到可听频率范围以上，例如20kHz以上。然而，提升开关频率导致 开关损耗量增加。
[0004] 为了减小开关损耗，可采用2相调制。关于2相调制，在连续调制周期的每一个中， 分别对应于三U、V、W相的开关设备中的一个的工作状态保持固定不变，PWM调制仅应用到其 他两相。
[0005] 然而，2相调制对于减轻由谐频分量造成的可听噪声问题是无效的。因此，需要一 种改进技术，凭借此技术，可听噪声可被抑制而不显著地增加开关损耗。
【发明内容】
[0006] 因此，期望通过提供一种用于控制3相逆变器的逆变器控制装置来克服上述问题， 其中，当此逆变器连接至旋转机时，由旋转机的运行产生的可听噪声（由于谐频分量叠加于 在逆变器与旋转机之间流动的电流上)可被抑制，同时避免增加开关损耗。
[0007] 根据本发明的3相逆变器，此逆变器包括对应于各相的多个开关设备并且可应用 到3相旋转机，此3相旋转机具有电连接至3相逆变器的开关设备的对应相绕组。此逆变器控 制装置包括操作信号产生电路，产生PWM操作信号以用于控制3相逆变器的开关设备以产生 AC电流在旋转机中的流动。
[0008] 产生PWM操作信号以使得在连续处理周期(连续调制周期）的每一个中满足第一与 第二预定条件。在处理周期期间，3相逆变器的各相中具有最高相电压(三相之中）的一个被 标记为此处理周期的"最高相"。类似地，具有最低电压的相被标记为此处理周期的"最低 相"，具有介于最高相与最低相的电压之间的电压的相被标记为"中间相"。第一预定条件是 在每一个处理周期中，对应于最高相的开关设备的状态在整个处理周期中保持固定。第二 预定条件是在每一个处理周期期间，对应于最低相的开关设备的状态比对应于中间相的开 关设备承受更多次的开关状态转变。
[0009] 由逆变器和旋转机构成的系统的开关损耗量依据逆变器的开关频率的增加和被 开关的电流电平的增加而增加。.作为满足第一预定条件的结果，开关高相电流值的频率降 低，由此减小开关损耗。作为满足第二预定条件的结果，仅开关低相电流值的频率增加。开 关频率由此可被充分地提升到可听频率范围以上以消除机械噪声可被听见的问题。然而， 由于仅在相电流低的时候执行开关，由开关频率的增加造成的开关损耗没有显著增加。
【附图说明】
[0010] 图1是包括逆变器控制装置的第一实施例的电机控制系统的总体系统图；
[0011] 图2是逆变器控制装置的第一实施例的框图；
[0012]图3是dq坐标系中的电压向量图；
[0013]图4A和4B是描述逆变器控制装置的电压向量与控制开关操作的操作信号之间的 关系的图不；
[0014] 图5A和5B是示出由范围（0° < θν〈60°)中的电压向量进行调制的图示；
[00?5] 图6Α和6Β是示出由范围（60° <θν〈120°)中的电压向量进行调制的图示；
[0016] 图7Α和7Β是示出由范围（120° < θν〈180°)中的电压向量进行调制的图示；
[0017] 图8Α和8Β是示出由范围（180° < θν〈240°)中的电压向量进行调制的图示；
[0018] 图9Α和9Β是示出由范围（240° < θν〈300°)中的电压向量进行调制的图示；
[0019] 图10Α和10Β是示出由范围（300° <θν〈360°)中的电压向量进行调制的图示；
[0020] 图11是分别将本发明、2相调制与3相调制的操作信号相比较的图示；
[0021] 图12是分别对于本发明、2相调制与3相调制所获得的结果的情况，将开关损耗与 开关频率之间的关系相比较的图示；
[0022] 图13是逆变器控制装置的第二实施例的框图；以及
[0023 ]图14是在dq坐标系中示出电压向量与电流向量之间的相位差的图示。
【具体实施方式】 [0024] 第一实施例
[0025] 将描述第一实施例，其为逆变器控制装置以供安装在机动车辆(诸如，电动车辆或 混动车辆）中。此实施例的逆变器控制装置控制连接至车辆的3相电动机-发电机的3相电力 逆变器。下面描述作为3相同步电动机的电动机-发电机的操作。
[0026] 图1是车辆的电动机控制系统的一般电路图。如图所示，电动机控制系统包括电动 机-发电机10、逆变器20以及逆变器控制装置30,逆变器控制装置30经由开关控制信号产生 部25控制电动机-发电机10。电动机-发电机10是车辆的主运动装置且耦合到车辆的车轮 (未在附图中示出）。此实施例的电动机-发电机10是IPMSM(内置式永磁同步电机)类型的电 动机-发电机。
[0027]电动机-发电机10经由逆变器20连接至用作DC电源的电池22,产生几百伏特的输 出电压。在电池22与逆变器20之间，平滑电容器24与电池22并联，用于使逆变器20的输入供 给电压平滑。
[0028]有可能在电池 22与逆变器20之间连接升压转换器。在此情况中，此升压转换器将 构成逆变器20的DC电源。
[0029] 逆变器20的开关设备包括上臂开关Sup、Svp、Swp和下臂开关31111、3￥11、3￥11，开关 Sup与Sun串联，开关Svp与Svn串联，以及开关Swp与Swn串联。如图1所示，电动机-发电机10 的U相引线连接至开关Sup、Sun的结点，电动机-发电机10的V相引线连接至开关Svp、Svn的 结点，以及电动机-发电机1 〇的W相引线连接至开关Swp、Swn的结点。在此实施例中，半导体 器件用作上臂开关Sup、Svp、Swp和下臂开关Sun、Svn、Swn，具体为IGBT (绝缘栅双极晶体 管）。续流二极管Dup、Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn分别与开关Sup、Svp、Swp、Sun、Svn、Swn并联以 用于反向导通。
[0030] 电动机控制系统还包括相电流检测部、电压检测部和旋转角检测部，如在下文描 述。相电流检测部检测三相中的至少两个的电流电平。在此实施例中，相电流检测部利用V 相电流传感器42V和W相电流传感器42W以分别检测在电动机10与逆变器20之间流动的V相 电流与W相电流的电平。电压检测部包括电压检测器44,检测逆变器20的输入电压，即出现 在平滑电容器24的端子之间的电压。旋转角检测部利用旋转角传感器46(例如，分解器)来 检测电动机-发电机10的旋转角，从而获取标记为电相角的检测相角值。
[0031] 逆变器控制装置30基于处理器(例如，微计算机）以及一个或多个存储器设备，该 处理器执行储存的程序以执行下文描述的多种功能，该一个或多个存储器设备具有将多种 输入变量映射到相应的输出量的事先储存在其中的数据以供微计算机在执行储存的程序 时使用。逆变器控制装置30由此控制驱动电动机-发电机10的逆变器20,诸如使产生的转矩 靠向标记为Trq*的目标转矩(电动机-发电机10的控制量，在此实施例中）。逆变器控制装置 30产生对应于U相的U相操作信号Su、对应于V相的V相操作信号Sv，以及对应于W相的W相操 作信号Sw，这些信号被提供给开关控制信号产生部25。开关控制信号产生部25由此产生用 于分别控制U相开关Sup、Sun的开关控制信号CSup和CSun、用于分别控制V相开关Svp、Svn的 开关控制信号CSvp和CSvn以及用于分别控制W相开关5?^>、5?〇1的开关控制信号05?^|和05￥11。 上臂开关Sup、Svp、Swp中的每一个相对于下臂开关Sun、Svn、Swn中的对应一个执行互补开 关。由此在电动机-发电机10的U、V和W定子绕组中流动的相电流(标记为U相Iu、V相电流Iv 和W相电流Iw)是正弦的且在相位上相差120度。
[0032] 例如可从外部控制装置提供目标转矩值Trq*，此外部控制装置比逆变器控制装置 30具有更尚的级别。
[0033]由逆变器控制装置30执行的电动机-发电机10的转矩控制将参考图2来描述。
[0034] 如图2所示，逆变器控制装置30包括两相转换部30a、命令电流设置部30b、减法器 30c与30d、d轴命令电压计算部30e、q轴命令电压计算部30f、电压幅度计算部30g、电压相位 计算部30h、延续时间计算部30j、加法器30i以及操作信号产生部30k。在此实施例中，被称 为"处理周期"的每一个周期对应于PWM调制周期，具有持续时间Ts。基于由电流传感器42v 检测的V相电流Iv、由电流传感器42w检测的W相电流Iw以及由旋转角传感器46检测的电相 角0e的样本值，两相转换部30a将3相坐标系中的U相电流值Iu、V相电流值Iv和W相电流值Iw 转换为2相旋转坐标系(dq坐标系）中的d轴电流值Idr和q轴电流值Iqr。使用基尔霍夫定律 (Kirchoff's law)，从V相电流Iv和W相电流Iw计算U相电流值Iu。
[0035] 命令电流设置部30b基于目标转矩Trq*并基于事先储存的数据（映射数据)设置d 轴和q轴命令电流值I d*和I q*的值，事先储存的数据将电动机-发电机10的电特性和转矩特 性相联系。减法器30c通过从d轴命令电流Id*减去d轴电流Idr获取d轴电流差△ Id。减法器 30d通过从q轴命令电流Iq*减去q轴电流Iqr获取q轴电流差Δ Iq。
[0036] 基于d轴电流差Δ Id，d轴命令电压计算部30e计算d轴命令电压Vd，作为用于d轴命 令电流Id*的反馈控制的控制量。基于q轴电流差△ Iq，d轴命令电压计算部30e计算q轴命令 电压Vq，作为用于q轴命令电流Iq*的反馈控制的控制量。在此实施例中，采用PI (比例-积 分)反馈控制。
[0037]电压幅度计算部30g计算逆变器20的电压向量(命令电压向量)Vdq的大小。如图3B 所示，基于d轴与q轴命令电压Vd和Vq，在旋转坐标系中表示电压向量Vdq，大小标记为Vr (计 算为d轴和q轴命令电压Vd和Vq的平方和的平方根）。
[0038]基于d轴和q轴命令电压Vd和Vq，电压相位计算部30h计算标记为电压相位角δ的电 压向量Vdq的相位角。在此实施例中，如图3所示，δ的增加的正方向被定义为从作为基准角 的d轴开始旋转的逆时针方向（即从d轴的正方向朝向q轴的正方向的旋转）。对于一处理周 期，具有由电压幅度计算部30g计算的大小Vr的电压向量Vdq和由电压相位计算部30h计算 的相位角S被应用，作为此处理周期的命令电压向量。
[0039] 加法器30i计算电压相位角δ与电相位角0e之和以获取本文中称为实相位角θν的 角值。这是参考逆变器控制装置30的固定矩形坐标系下的U相角而表示的电压向量Vdq的相 位角，在图4B中示为空间向量图。在此实施例中，如图所示，电压向量Vdq(命令电压向量)在 从作为(〇°)基准的U相角起的逆时针方向（作为相位角的增加的正方向）上旋转。
[0040] 由延续时间计算部30j和操作信号产生部30k执行的处理将在下文描述。如图4B所 示，存在8个基本电压向量，分别对应于由逆变器控制装置30产生的操作信号Su、Sv、Sw的8 个不同（1、〇)组合，图4A所示。这些组合分别对应于三对开关设备(U相开关Sup、Sun，V相开 关Svp、Svn，W相开关Swp、Swn)的开关状态的8个组合。电压向量被标记为VO [ 0,0,0]、V1[1, 0,0]、V2[1，1，0]、V3[0，1，0]、V4[0，1，1]、V5[0,0，1]、V6[1，0，1]和 V7[l，l，l]。具体地，图 4A 中的操作信号状态"Γ意味着对应一对的上臂开关设备处于接通(导通)状态且下臂开关设 备处于断开(非导通)状态，而"0"意味着该对的下臂开关设备处于接通状态的同时上臂开 关设备处于断开状态。具有大于0的大小的电压向量VI~V6被标记为"有效向量"并且在相 位上依次相差60°。具有0的大小的电压向量V0和V7被标记为"零向量"。
[00411延续时间计算部30 j和操作信号产生部30k的基本功能是基于操作信号Su、Sv、Sw 执行施加到电动机-发电机10的u、v、w相绕组的对应电压的空间向量调制（即，通过确定选 择每个处理周期中的电压向量的时序和序列）以在每一个处理周期中使平均相电压向量接 近命令电压向量。这通过在每一个处理周期内确定所选电压向量的相应序列位置和延续时 间来完成。在此实施例中，选择六个有效向量之中的两个和零向量中的一个以在处理周期 期间被设置。两个所选的有效向量是当前接近命令电压向量的向量。
[0042] 例如在处理周期中，当命令向量如图4B中所示，则有效向量V1和V2最接近命令电 压向量从而被选择以在此处理周期期间被设置。
[0043] 在每一个处理周期中，将逆变器20的三U、V、W相中具有最高相电压的的那一个在 下文中称为此处理周期的"最高相"，而三相中其(平均)相电压最低（即，最接近相电压的中 值)的相被称为此处理周期的"最低相"，而(平均)相电压在最高值与最低值之间的相被标 记为中间相。
[0044]此实施例的空间向量调制（即，在每一个处理周期内设置逆变器20的电压向量的 序列位置和延续时间)被执行以使得满足两个预定处理条件。
[0045]第一处理条件是在每一个处理周期中，对应于最高相的开关设备的状态在整个处 理周期中保持不变(即，对应于最高相的操作信号Su、Sv或Sw保持不变）。应用第一条件的效 果是减小开关损耗，由于减小了开关高电流值的频率。
[0046]第二处理条件如下。在每一个处理周期期间，相对于对应于中间相的开关设备的 开关操作的次数，对应于最低相的开关设备的开关操作的次数增加（在此实施例中，增加 一）。即，对应于最低相的操作信号Su、Sv或Sw比对应于中间相的操作信号经历更多次的状 态转变。
[0047]第二处理条件的效果是在没有实质增加开关损耗的情况下增加开关频率（由此抵 消由应用第一条件产生的开关频率的降低），由于仅执行低电流值的开关。
[0048]通过应用第一和第二处理条件，叠加在电动机-发电机10中流动的电流上的谐波 分量的频率可被充分地提升到可听频率范围以上，同时避免开关损耗的显著增加。所获得 的效果在图12中示出，图12将利用本实施例可获得的结果与利用常规2相调制或利用具有 增加到可听范围以上的PWM频率的3相调制可获得的结果相比较。
[0049]在下文中，基于分别标记为No. 1周期~No.6周期的六个周期来描述电压向量的延 续时间和序列位置，这六个周期覆盖了实相位角θν上0°到360°变化的范围。No. 1周期~ No.6周期的每一个包括两个连续处理周期(在此实施例中，每个处理周期对应于θν的30°变 化）。第一处理周期包括标记为Α和Β的两个连续子周期，第二处理周期包括标记为C和D的两 个连续子周期（即，每一个子周期具有持续时间Ts/2且对应于θ ν的15°变化）。假定电动机-发电机10以功率因数1工作。
[0050]图5Α的部分(a)到（e)示出发生在No. 1周期期间的下列变化。部分(a)示出相电流 的变化，部分(b)示出各相的操作信号Su、Sv、Sw的变化，部分(c)示出操作条件保持固定的 相。部分(d)示出No. 1周期内选择的有效向量。根据实相位角θν(提供到持续时间计算部 30 j，如上参考图2所述)确定选择有效电压向量或零向量所针对的时机和延续时间。部分 (e)示出所选的零向量，在No. 1周期的前一半内选择向量V7而在后一般内选择向量V0。图5B 的部分(&)、(13)、（(3)、（(1)示出以下操作的时机和持续时间。
[0051 ] 吣.1周期(〇。<0￥〈6〇。）期间的操作
[0052]参考图5A、5B，首先将描述No.l周期（实相位角θν的范围〇°~60°)。在No.l周期的 前一半(0° <θν〈30°，子周期对A、B)中，No.l向量VI和如.2向量￥2被选为有效向量。最高相 是U相。因此，为了满足第一处理条件，在整个子周期A、B中（即，在No.l周期中的整个第一处 理周期中），U相的上臂开关Sup保持固定在接通状态，下臂开关Sun保持固定在断开状态。 [0053]最低相是V相，从而W相是中间相。
[0054] 在子周期A中，电压向量序列被设置为No. 1向量VI、No. 2向量V2、然后No. 7向量V7。 在随后子周期B中，电压向量序列被设置为如.7向量￥7、如.2向量￥2、如.1向量￥1、然后如.2 向量V2。由于No. 2向量V2在No . 1向量V1之后被选择，通过与作为中间相的W相比较，作为最 低相的V相的开关操作的次数增加。因此，对于No.l周期中的第一处理周期，满足第二处理 条件。
[0055]在此实施例中，基本上如下产生对应于No.l周期的子周期A和B(第一处理周期）期 间的各个电压向量的操作信号Su、Sv、Sw。
[0056]逆变器控制装置30包括存储器部（未示出），具有储存在其上的表达操作信号Su、 Sv、Sw的数据(脉冲图案）。逆变器控制装置30在每一个处理周期中采样相电流值Iv、Iw以及 电压值Vdc等。加法器30i通过增加 Θθ和δ的相应值计算每一个处理周期中的实相位角θν。操 作信号产生部30k根据实相位角θ ν选择电压向量序列，延续时间计算部30 j根据实相位角θν 计算所选择的电压向量的相应持续时间。这里，"延续时间"表示在处理周期的两个子周期 的每一个期间选择电压向量所针对的持续时间。
[0057]在下文中，仅单个开关对的上臂开关处于接通状态的有效电压向量（图4B中示出 的电压向量VI、V3或V5)被标记为"1相接通向量"。两个开关对(即，分别对应于U、V、W相中的 两个)的相应上臂开关处于接通状态的有效电压向量(图4B中的电压向量V2或V4)被标记为 "2相接通向量"。
[0058]延续时间计算部30 j基于以下方程式（1)计算每一个1相接通向量的延续时间ta
[0060] 在方程式（1)中，Vdc是由电压检测器44检测的电压值。延续时间ta的持续时间根 据电压大小Vr(命令向量大小，图3中示出）的增加且根据电压电平Vdc的减小而增加。
[0061] 延续时间计算部30j基于以下方程式(2)计算每一个2相接通向量的延续时间tb:
[0063]延续时间计算部30 j基于以下方程式(3)计算每一个零向量的延续时间tz:
[0065] 在No. 1周期的子周期A、B(第一处理周期）中，No. 1向量VI是1相接通向量，而No.2 向量V2是2相接通向量，以及No. 7向量V7是零向量。因此，电压幅度计算部30g基于上述方程 式（1)，将命令电压向量大小Vr、输入电压Vdc和实相位角θ ν用作输入值，计算在No. 1周期的 子周期A、B中或每一个的No. 1向量VI的延续时间tl。延续时间计算部30 j还基于上述方程式 (2)使用这些输入值(Vr、Vdc和θν)计算子周期A、B的每一个中的如.2向量￥2的延续时间七2。 延续时间计算部30j还将No.l向量VI与如.2向量￥2的延续时间七132相加并且用1^/2减去 该结果（上述方程式(3))以获取No. 1周期的子周期A、B的每一个中的No.7向量V7的延续时 间t7,如图5A的部分(a)、(b)所示。
[0066]另外，延续时间计算部30 j使No . 2向量V2的延续时间t2 (使用上述方程式（2)计算 出）除以二，并且将此结果(t2/2)设置为No. 1周期的子周期B内的No.2向量V2的两个延续时 间，如图5B的部分(b)所示。
[0067]例如使用计时器功能，操作信号产生部30k基于由电压幅度计算部30g所计算的持 续时间、自从子周期A的开始已逝去的时间、以及储存的操作信号数据（即，映射图4A中示出 的关系的数据)来设置处理周期(子周期A、B)期间的操作信号Su、Sv、Sw。
[0068] 在如.1周期的子周期(：和〇(3〇°<0￥〈6〇°，第二处理周期）中，如.1向量￥1和如.2向 量V2继续被选为有效向量，并且W相为最高相。因此，为了在子周期C和D中满足第一处理条 件，W相的上臂开关Swp固定在断开状态，下臂开关Swn固定在接通状态。在子周期C和D期间， 最低相继续为V相，从而U相是中间相。
[0069] 在No.l周期的子周期C中，依次选择No.l向量￥1、如.2向量￥2、如.1向量￥1和如.0 向量V(LN 〇. 1向量VI在No. 2向量V2之前被选择，从而使得No. 1周期的第二处理周期(子周期 A、B)中的V相(最低相)的开关操作的次数大于中间相(U相)的。因此，满足了第二处理条件。
[0070] 在No. 1周期的子周期D中，电压向量序列被设置为No.0向量V0、No.l向量VI和No.2 向量V2。
[0071] 如可从上文理解到，确保顺序地开关U、V、W相的相电压（即，一次一个）。由此避免 可损坏开关设备的电流浪涌，该电流浪涌由两相或更多相的同时开关造成。
[0072] Νο·2周期（60° <θν〈120°)期间的操作
[0073] No. 2周期（实相位角θν的范围60°~120°)中的操作将参考图6来描述。仅描述与 No. 1周期中的操作的不同点。
[0074] 在如.2周期的子周期六和8(6〇°<0￥〈9〇°)中小〇.2向量￥2和如.3向量￥3被选为有 效向量，且最高相为W相。因此，为了满足第一处理条件，W相的上臂开关Swp固定在断开状 态，下臂开关Swn固定在接通状态。
[0075] 在No.2周期的子周期A和B期间，最低相为U相，从而V相为中间相。在子周期A中，电 压向量序列被设置为No. 2向量V2、No. 3向量V3，然后是No. 0向量V0。在随后子周期B中，电压 向量序列被设置为No.O向量VO、N〇.3向量V3、No.2向量V2,然后是如.3向量￥3。由于如.2向 量V2在No. 3向量V3后被选择，通过与作为中间相的V相相比较，作为最低相的U相的开关操 作的次数增加。因此，对于No.2周期中的第一处理周期，满足第二处理条件。
[0076] 在No. 2周期的子周期C和D(90° < θν〈120°)中，No. 2向量V2和No. 3向量V3继续被选 为有效向量，且V相为最高相。因此，为了在子周期C和D中满足第一处理条件，V相的上臂开 关Svp固定在接通状态，下臂开关Svn固定在断开状态。在子周期C和D期间，最低相继续为U 相，从而W相是中间相。
[0077] 在如.2周期的子周期(：中，电压向量序列被设为如.2向量￥2、如.3向量￥3、如.2向 量V2和No. 7向量V7。No. 2向量V2被设置在No. 3向量V3之前，从而使得U相(最低相）的开关操 作的次数大于中间相(W相)的。
[0078] 接着，在子周期D中，电压向量序列被设为No. 7向量7、No. 2向量V2和No. 3向量V3。 [0079] Νο·3周期（120° <θν〈180°)期间的操作
[0080] No.3周期(实相位角θν的范围120°~180°)中的操作将参考图7来描述。
[0081 ] 在如.3周期的子周期六和8(12〇°<0￥〈15〇°，第一处理周期）中，如.3向量￥3和如.4 向量V4被选为有效向量，且最高相为V相。因此，为了满足第一处理条件，V相的上臂开关Svp 固定在接通状态，下臂开关Svn固定在断开状态。
[0082]在子周期A和B期间，U相为中间相，由于最低相为W相。
[0083] 在No. 3周期的子周期A中，电压向量序列被设置为No. 3向量V3、No. 4向量V4和No. 7 向量V7。在随后子周期B中，电压向量序列被设置为如.7向量￥7、如.4向量￥4、如.3向量乂3， 然后是No. 4向量V4。由于No. 4向量V4在No. 3向量V3之后被选择，通过与U相（中间相）比较，W 相(最低相)的开关操作的次数增加。
[0084] 在子周期C和D(150° < θν〈180°)中，如.3向量￥3和如.4向量￥4继续被选为有效向 量，且U相为最高相。因此，为了在子周期C和D中满足第一处理条件，U相的上臂开关Sup固定 在断开状态，下臂开关Sun固定在接通状态。在子周期C和D期间，最低相继续为W相，从而V相 是中间相。
[0085] 在子周期C中，电压向量序列被设置为No. 3向量V3、No. 4向量V4、No. 3向量V3，然后 是No. 0向量V0。No. 3向量V3被设置在No. 4向量V4之前，从而使得最低相(W相）的开关操作的 次数大于中间相(V相)的。
[0086] 接着，在子周期D中，电压向量序列被设为No. 0向量0、N〇. 3向量V3和No. 4向量V4。
[0087] Νο·4周期（180° <θν〈240°)期间的操作
[0088] No.4周期(实相位角θν的范围180°~240°)中的操作将参考图8来描述。
[0089] 在如.4周期的子周期六和8(18〇°<0￥〈21〇°)中小〇.4向量￥4和如.5向量￥5被选为 有效向量，且最高相为W相。因此，为了满足第一处理条件，W相的上臂开关Swp固定在接通状 态，下臂开关Swn固定在断开状态。
[0090] 在子周期A和B期间，由于最低相为V相，U相为中间相。
[0091] 在子周期A中，电压向量序列被设置为No . 7向量V7、No. 4向量V4，然后是No. 5向量 V5。在随后子周期B中，电压向量序列被设置为如.4向量￥4、如.5向量￥5、如.4向量￥4，然后 是No . 7向量V7。由于No . 4向量V4在No. 5向量V5之前被选择，通过与作为中间相的U相相比 较，作为最低相的V相的开关操作的次数增加。
[0092] 在子周期C和D(210° < θν〈240°)中，如.4向量￥4和如.5向量￥5继续被选为有效向 量，且U相为最高相。因此，为了在子周期C和D(第二处理周期）中满足第一处理条件，U相的 上臂开关Sup固定在断开状态，下臂开关Sun固定在接通状态。最低相继续为V相，从而W相为 中间相。
[0093] 在子周期C中，电压向量序列被设置为No.O向量VO、N〇.5向量V5，No.4向量V4和 No. 5向量V5。No. 3向量V3被设置在No. 4向量V4之后，从而使得V相(最低相）的开关操作的次 数大于中间相(W相)的。
[0094] 接着，在子周期D中，电压向量序列被设为No. 4向量V4、No. 5向量V5和No. 4向量V4。 [0095] Νο·5周期（240° <θν〈300°)期间的操作
[0096] No.5周期(实相位角θν的范围240°~300°)中的操作将参考图9来描述。
[0097] 在如.5周期的子周期六和8(24〇°<0￥〈27〇°)中小〇.5向量￥5和如.6向量￥6被选为 有效向量，且最高相为W相。因此，为了满足第一处理条件，W相的上臂开关Swp固定在接通状 态，下臂开关Swn固定在断开状态。
[0098] 在子周期A和B期间，由于最低相为U相，V相为中间相。
[0099] 在子周期A中，电压向量序列被选为No.5向量V5、No.6向量V6,然后是No.7向量V7。 在随后子周期B中，电压向量序列被选为如.7向量￥7、如.6向量￥6、如.5向量￥5，然后是如.6 向量V6。由于No.6向量V6被设为发生在No.5向量V5之后，通过与作为中间相的V相相比较， 作为最低相的U相的开关操作的次数增加。
[0100] 在子周期C和D(270° <θν〈300°)中，如.5向量￥5和如.6向量￥6被选为有效向量，且 V相为最高相。因此，为了在子周期C和D中满足第一处理条件，V相的上臂开关Svp固定在断 开状态，下臂开关Svn固定在接通状态。最低相是U相，从而W相是中间相。
[0101] 在子周期C中，电压向量序列被设置为如.5向量￥5、如.6向量￥6、如.5向量￥5，然后 是No. 0向量V0。No. 5向量V5在No. 6向量V6之前被选择，从而使得U相(最低相）的开关操作的 次数大于中间相(W相)的。
[0102] 接着，在子周期D中，电压向量序列被设为No.O向量V0、No. 5向量V5和No. 6向量V6。
[0103] Νο·6周期(300° <θν〈360°)期间的操作
[0104] No.6周期(实相位角θν的范围300°~360°)中的操作将参考图9来描述。
[0105] 在子周期Α和Β(300° <θν〈330°)中，No.l向量VI和如.6向量￥6被选为有效向量，且 最高相为U相。因此，为了满足第一处理条件，U相的上臂开关Sup固定在接通状态，下臂开关 Sun固定在断开状态。
[0106]在子周期A和B期间，由于最低相为W相，V相为中间相。
[0107] 在子周期A中，电压向量序列被设置为No.7向量V7、No.6向量V6,然后是No. 1向量 ￥1。在随后子周期8中，电压向量序列被设置为如.6向量￥6、如.1向量￥1、如.6向量￥6，然后 是No. 7向量V7。由于No. 6向量V6在No. 1向量VI之前被选择，通过与作为中间相的V相比较， 作为最低相的W相的开关操作的次数增加。
[0108] 在子周期C和D(330° <θν〈360°)中，No.l向量VI和如.6向量￥6被选为有效向量，且 V相为最高相。因此，为了在子周期C和D中满足第一处理条件，V相的上臂开关Svp固定在断 开状态，下臂开关Svn固定在接通状态。最低相继续为U相，从而W相为中间相。
[0109] 在子周期C中，电压向量序列被设置为No.O向量V0、No.l向量￥1、如.6向量￥6，然后 是No. 1向量VI。如.1向量VI被设置在No. 6向量V6之后，从而使得W相(最低相）的开关操作的 次数大于中间相(U相)的。
[0110] 接着，在子周期D中，电压向量序列被设为如.6向量￥6、如.1向量￥1和如.0向量￥0。
[0111] 将参考图11和12描述利用本发明获得的效果。首先，参考图11的示图（b)和(c)，将 本发明的情况与(常规)2相调制的情况的操作信号Su、Sv、Sw的开关转变相比较。如图所示， 在本发明（第一实施例）的情况中，与使用2相调制相比较，操作信号Su、Sv、Sw的开关频率增 加。图11的示图（d)示出常规3相调制的情况的操作信号Su、Sv、Sw的开关转变。
[0112] 在图12中分别比较了本发明（上述实施例）、2相调制和3相调制的情况所获得的开 关频率和开关损耗。
[0113] 利用本发明，与2相调制的情况相比较，发生在每一个处理周期（即，其持续时间等 于PWM调制载波周期）的开关转变的次数增加。因此，归因于开关的机械噪声的频率可上升 到可听频率范围以上，同时与2相调制所需要的相比，使用更长的PWM调制载波周期值(更低 的载波频率值）。实现此结果而不显著地增加开关损耗，即避免若使用3相调制引起的问题， 并且调制频率增加到足以将机械噪声上升到可听频率范围以上。
[0114] 此外，可获得此结果而不增加 PWM调制的载波频率，由此不会缩短电流反馈控制的 处理周期(Ts)。因此可避免由于处理周期的缩短而导致施加在逆变器控制装置30上的处理 负载的随之增加。
[0115] 第二实施例
[0116] 将参考图13描述第二实施例。仅具体描述与第一实施例的特征不同的特征。在第 二实施例中，如图13所示，逆变器控制装置30进一步包括相位差计算部30m和电流相位计算 部30p。此配置的主要目的是比第一实施例更加可靠地减小开关损耗。U、V、W相中的每一个 的开关损耗大约与相电流的绝对值成比例。因此，为了减小开关损耗，有必要在连续处理周 期的每一个中固定对应于最高相电流绝对值的相的开关设备的状态。
[0117] 在第一实施例中，假定电动机-发电机10以功率因数1工作。然而实际上，功率因数 可不同于1，即可存在U、V、W相的每一个的施加电压与电流之间的相位差，取决于电动机-发 电机10的运行条件。因此，在每一个处理周期中，可能不正确地选择最大相，导致开关损耗 增加的风险。
[0118] 因此在第二实施例中，电流相位计算部30p基于d轴和q轴电流Idr、Iqr计算电流向 量Idq的相位角（下文中称为电流相位角β)。在此实施例中，如图14所示，电流相位角β具有 作为基准的d轴的正方向，并且随着从该基准在逆时针方向上的旋转而取为增加的值。
[0119]相位差计算部30m通过从电压相位角δ中减去电流相位角β来计算电压向量Vdq与 电流向量Idq之间的相位差Δ φ。
[0120]在第一实施例中，操作信号产生部30k和延续时间计算部30j基于实相位角θν的值 确定No. 1到No. 6周期。然而，在第二实施例中，基于θν和相位差Δ φ来确定No. 1到No. 6周 期。例如，与第一实施例的情况中的范围（0° < θv〈60°)相对，No. 1周期被设为实相位角Θv的 变化的范围(0° < (Θν-Δ Φ)〈60°)。在其他方面，操作与上述第一实施例的操作一致。
[0121]因此，第二实施例提供对第一实施例描述的优点，同时确保在旋转机的功率因数 不同于1时更可靠地减小开关损耗。
[0122] 如在所附权利要求中记载的命令向量计算电路对应于上述实施例的电压幅度计 算部30g和电压相位计算部30h，作为组合。权利要求中记载的操作信号产生电路例如对应 于上述实施例的延续时间计算部30j和操作信号产生部30k，作为组合。在所附权利要求中 的短语"对应于最高相的开关设备"、"对应于最低相的开关设备"或"对应于中间相的开关 设备"，"开关设备"例如对应于以上实施例的一对开关设备Sup、Sun(U相的），或Svp、Svn(V 相的），或Swp、Swn(W相的）。
[0123] 其它实施例
[0124] 本发明不限于上述实施例的范围，可设想这些实施例或其他实施例的多种修改。
[0125] 例如，本发明不限于控制IPMSM类型的电动机-发电机的应用，并且还可应用于控 制SPMSM(表面永磁同步电机)类型的电动机-发电机或场绕组类型的同步机。此外，本发明 不限于安装在车辆上的电动机-发电机或电动机的应用。此外，本发明不限于控制电动机-发电机的应用，而通常可应用到3相同步机的控制。
【主权项】
1. 一种逆变器控制装置，应用于包含3相逆变器和3相旋转机的系统，所述逆变器具有 对应于所述3相逆变器的各相的多个开关设备，所述3相旋转机具有电连接至所述逆变器控 制装置的对应相绕组，所述逆变器控制装置包括多个开关设备和操作信号产生电路，所述 操作信号产生电路产生PWM(脉宽调制)操作信号以控制所述开关设备，来产生AC电流在所 述旋转机中的流动； 其中，在连续处理周期的每一个中，所述操作信号产生电路产生所述PWM操作信号以满 足第一条件和第二条件， 所述第一条件是对应于所述3相逆变器的最高相的开关设备的状态在整个所述处理周 期中保持固定，其中，所述最高相在所述处理周期期间具有所述三相的各个相电压之中最 高的相电压， 所述第二条件是对应于所述3相逆变器的最低相的开关设备在所述处理周期期间比对 应于所述3相逆变器的中间相的开关设备经历更多次开关操作，其中，所述最低相在所述处 理周期期间具有所述三相的各个相电压之中最低的相电压，以及所述中间相在所述处理周 期期间具有介于所述最高相与所述最低相的相应相电压之间的相电压。2. 如权利要求1所述的逆变器控制装置，包含命令向量计算电路，所述命令向量计算电 路根据所述旋转机的控制量计算命令电压向量； 其中，将所述PWM操作信号的状态的相应组合表示为空间向量坐标系的电压向量，其中 所述命令电压向量相对于所述电压向量旋转，并且将具有大于零的大小的电压向量指定为 相应的有效向量，所述操作信号产生电路通过选择一对所述有效向量并确定在所述处理周 期期间应用所述有效向量对所针对的序列和相应的延续时间值，产生所述PWM操作信号以 在所述连续处理周期的每一个中满足第一预定条件和第二预定条件中的每一个； 其中，在所述处理周期期间，所述有效向量对被选择为在相位上分别接近所述命令向 量。3. 如权利要求1所述的逆变器控制装置，其特征在于，在所述处理周期的每一个期间， 对应于所述最低相的所述开关设备比对应于所述中间相的所述开关设备经历多一次开关 状态转变。4. 如权利要求1所述的逆变器控制装置，其特征在于，还包括： 命令向量计算电路，计算表达当前需要被施加到所述旋转机的相电压的命令电压向 量， 电流相位计算电路，计算流入所述旋转机的AC电流的相位角，以及 相位差计算电路，计算所述命令电压向量的相位角与所述AC电流的相位角之差； 其中，在所述处理周期的每一个中，所述操作信号产生电路基于由所述相位差计算电 路计算的差标识所述最高相和所述最低相。
【文档编号】H02M7/48GK106026724SQ201610187696
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】中井康裕
【申请人】株式会社电装