基于两相调制技术控制三相交流电动机的装置的制作方法

专利名称：基于两相调制技术控制三相交流电动机的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于两相调制技术控制三相AC(交流)电动机的装置。
背景技术：
相关申请的交叉参考本申请涉及并且结合2004年2月10日提交的申请号为2004-33965的日本专利申请以及2004年2月12日提交的专利号为2004-35529日本专利申请作为参考。
在电子式电动机的各种应用中，减小在电动机中引起的损耗的更高需求增加，部分是由于环境问题。这对运行三相AC电动机的PWM(pulse widthmodulation，脉宽调制)逆变器也是成立的。
三相AC电动机的PWM控制通常基于三相调制技术。然而，PWM控制的一个新近趋势是采用分成两种类型的两相调制技术。
一类两相调制技术是“π/3固定型”(π/3-fixing type)(有时称作“固定相60度转换型，fixed-phase 60-degree switchover type)，该技术是受某些参考文献的教导的。两相调制技术所采用的事实是电动机电流依据相对相电压(phase-to-phase voltage)，而不是依据相电压。因此，对逆变器这样进行驱动，在相对相电压保持在预先指定的电压的情况下使得指定给每相的开关元件导通一段指定时间，以便在与电角度π/3(60度)对应的一段时间内将其相电压固定在高电源电压电平或者低电源电压电平。对于三相U、V和W中每相依次将电压固定在预先指定的电源电压电平，这样由于在逆变器中的开关所引起的损耗(swithching loss，开关损耗)可以被减小。
另一类型的两相调制技术称作“2π/3固定型”(有时称作“固定相120度转换型)，其由例如日本专利号2577738以及日本专利公开号11-262269进行教导。在这些公开文献中，每个相电压被固定在高或者低电源电压电平一段指定时间间隔，该时间间隔与2π/3(120度)的电角度对应，并且依次对每相U、V、W均执行这种相位控制，以减小逆变器中的开关损耗。
前述专利公开中的附加配置将基于两相调制停止运行电动机，并且取而代之，如果每个相电压的幅值较小时，将施加三相电压到电动机上。
上述电动机经常被用作运行电动车辆，电力和汽油混合动力车辆以及其他的电动机。这种电动机必须在由分配给电动机的转矩和转数的两条轴线所定义的二维电动机输出坐标系的四个象限中运行。根据这种需要，上述的“2π/3固定型”是不够的，这是因为开关损耗在表示更高速度和更大转矩的某些运行范围内不能完全被抑制。
在上述“π/3固定型”的情况下，每个所固定的相的固定时间周期和流过每相的相电流的正负峰值都互相同步。与“2π/3固定型”相比较，因此开关损耗得到了更高的抑制。然而，必须指出的是，当输出电压幅值较小时，所固定的相的转换定时容易出现错误，由此不能保持电动机良好控制的两相调制的运行。
另外，三相调制驱动和基于“2π/3固定型”的两相调制驱动之间的上述转换不一定总是良好地运行。这是因为三相电压产生与时间有关的AC波形，该AC波形可能与噪声电压进行混合，使得转换定时的精确性变差。换句话说，依据三相电压幅值的检测的转换难以充分地减小开关损耗。
同时，在安装大型电动机，如使车辆运行的三相AC电动机到车辆发动机箱时，抑制逆变器的开关桥臂元件的温度是非常重要的。

发明内容
根据上述问题，本发明的一个目的是提供一种电动机控制装置，其能运行三相AC电动机，同时在或大或小的程度上避免固定的相在恶化情况下进行开关，同时还减小在与该装置共同运行的PWM控制的逆变器中引起的开关损耗。
本发明的另一个目的是提供一种电动机控制装置，其能减小基于两相调制技术进行控制的逆变器的每个开关元件上的最大温度，而不使逆变器的冷却系统的结构变大。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供一种控制三相AC电动机的装置，包括逆变器，可操作地被连接到电动机上，以响应三相PWM指令给电动机供电；以及控制电路，基于两个调制技术控制所述逆变器，所述两个调制技术基于表示电动机的运行状态的信息有选择地从一种切换到另一种，所述两种调制技术的一种给定PWM指令为两相调制，使得所述电动机的三个相电压中的每个依次以π/3的电角度的间隔被固定在预先指定的电压电平上。优选的是，表示所述电动机运行状态的所述信息是所述电动机的相电压，以及两种调制技术的另一种给定PWM调制为三相调制；以及，其中控制电路包括确定装置，确定相电压是否等于或者大于给定值；以及指令装置，选择性地在确定相电压低于给定值的情况下指令为三相调制并且在确定相电压大于给定值的情况下指令为两相调制。
举例说明，电动机是为车辆运行产生动力的车载电动机。作为本发明的另一方面，提供一种控制三相AC电动机的装置，包括逆变器，可操作的连接到电动机上，以响应三相PWM指令给电动机供电；以及控制电路，基于两个调制技术控制所述逆变器，所述两种调制技术依据表示电动机的运行状态的信息有选择地从一种切换到另一种，所述两种调制技术的一种给定PWM指令为第一两相调制，使得电动机的三个相电压中的每个依次以2π/3的电角度的间隔被固定在预先指定的电压电平上，两种调制技术的另一种给定PWM指令为第二两相调制，使得电动机的三个相电压中的每个依次以π/3的电角度的间隔被固定在预先指定的电压电平上。
优选的是，所述信息是所述电动机相电压的幅值，其中所述控制电路包括用于判断相电压的幅值是否等于或者大于给定阈值的第一确定装置，以及指令装置，用于当确定为相电压的幅值小于所述阈值时指令为第一两相调制并且当确定为相电压的幅值等于或者大于该阈值时指令为第二两相调制。
还优选的是将表示所述电动机的运行状态的所述信息定义为包括四个象限的二维坐标图，并且所述图包括第一区域和第二区域，所述第一区域包含坐标原点并且指定三相调制，所述第二区域在坐标中围绕第一区域并且指定两相调制。
优选的是，所述信息是由所述电动机中的q轴的电流和d轴的电流所确定的二维坐标点，并且所述图的坐标由指定给q轴和d轴的电流的互相正交的两轴进行定义。
还优选的是，所述信息是由所述电动机中引起的转矩量和电动机的转数所确定的二维坐标点，并且所述图的坐标由指定给转矩以及转数的互相正交的两轴进行定义。
作为本发明的另一方面，提供一种用于控制三相AC电动机的装置，包括逆变器，可操作地被连接到电动机上以响应三相PWM指令给电动机供电，所述逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件，所述上臂元件和下臂元件中的每个接收对应三相PWM指令的调制电压，控制电路基于第一和第二两相调制技术控制所述逆变器，所述第一和第二两相调制技术依据表示电动机运行状态的信息有选择地每隔一段时间或者交替地从一种切换到另一种，并且每种给定PWM指令为两相调制，所述两相调制允许电动机的三个相电压中的每个依次以2π/3电角度的间隔被固定在预先指定的电压电平上，所述第一两相调制技术涉及指定给将要进行相电压固定的相的上臂元件导通和当时下臂元件关断，而第二两相调制技术涉及指定给将要进行相电压固定的相的上臂元件关断而下臂元件导通。


在附图中图1示出配备有根据本发明第一实施方案的电动机控制装置的电动机装置的概括性电结构；图2示出组合到根据第一实施方案的电动机控制装置中的控制电路的物理电结构(图2也说明本发明的第二，第三和第四实施方案)；图3示出通过控制电路的电路运行在功能上实现的功能结构；图4是示出产生分别用于三相U、V和W的三相调制电压指令(或者指令电压)的波形图；图5是示出基于具有上臂固定技术的“2π/3-固定技术”的两相调制电压指令的波形图；图6是示出基于具有下臂固定技术的“2π/3-固定技术”的两相调制电压指令的波形图；图7是示出基于“π/3固定技术”的两相调制电压指令的波形图；图8是说明组合到控制电路的驱动电路的部件的电路图，该驱动电路通过逆变器驱动每对包括相对相(phase-to-phase)的开关元件并且配备有自举电路，该自举电路用于驱动每对的上开关元件(上臂)；
图9示出绘图式的图，该图中示出两个运行范围，以便由电动机的转矩和转数进行定义，基于“π/3固定技术(内部范围)”以及“2π/3固定技术(外部范围)”描述该两个运行范围，两种技术均用于两相调制；图10是在第一实施方案中执行的概括性流程图，该流程图示出怎样选择性地转换“π/3-固定技术”和“2π/3-固定技术”；图11是在第一实施方案的第一修改中执行的概括性流程表，该流程表示出在逆变器停止之后立即被执行的转换；图12是在第一实施方案的第二修改中执行的概括性流程表，该流程表示出在逆变器启动之后立即被执行的转换；图13是在第一实施方案的第三修改中执行的概括性流程表，该流程表示出当检测出错误或者故障时被执行的转换；图14是通过在第五实施方案以及本发明的其他实施方案的控制电路的电路运行在功能上实现的功能结构；图15示出基于涉及将要被接通的上臂元件的“2π/3固定技术”的两相调制电压指令的波形；图16示出基于涉及将要被接通的下臂元件的“2π/3固定技术”的两相调制电压指令的波形；图17是概括在两种两相调制模式之间转换的流程表；图18是解释在两种两相调制技术之间转换的时间表；图19是概括在两种两相调制模式以及导通臂元件之间的流程表；图20示出配备有根据本发明第八实施方案以及其他实施方案的电动机控制装置的电动机装置的概括性电结构；以及图21和22是修改的示意图。
具体实施例方式
(第一实施方案)参考图1-10，现在描述根据本发明的电动机控制装置的第一实施方案。
图1概括出电动机装置的电结构，其包括根据本实施方案的电动机控制装置。如图所示，该电动机装置设置有DC(直流)电源1，驱动器2，以及三相AC同步电动机3，另外还有两个电流传感器4和5以及电动机转动传感器6。电动机3是例如车载电动机，其产生用于驱动车辆如电力和汽油混合动力汽车(hybrid car)的动力。
其中，电流传感器4和5负责检测表示相电流的信号。电动机转动传感器6负责检测信号以显示表示电动机3的转速的电角度并且被用作电动机转动位置检测装置。
驱动器2配备有逆变器7和控制电路8。逆变器7具有基于PWM控制技术控制的开关元件。由此逆变器7使得来自DC电源1的DC电能转换成PWM控制下的三相AC电能，这样为三相同步电动机3提供所转换的AC电能。设置控制电路8来使开关元件以可控制的方式接通/关断。具体地说，逆变器7具有六个元件单元，每个由IGBT(绝缘栅双极晶体管)和续流二极管并联组成。每个IGBT具有高压侧上臂元件以及低压侧下臂元件。用作开关元件的IGBT可由其他元件如MOS(金属氧化物半导体)晶体管替代。优选地，NOMS(N沟道MOS)晶体管可被用作MOS晶体管。这种三相逆变器的结构和运行都已经公知，因此不再给出更多的解释。
顺便提及，电动机转动传感器6可从上述结构中省略，如果该电路被设计，那么使得电角度(即，相角)θ从将要进行检测的相电流中计算出来。
参考图2和3，然后将描述控制电路8的结构及运行。
图2示出控制电路8的物理电结构，而图3示出功能结构，其可通过控制电路8的电路运行在功能上被实现。
首先，将给出关于控制电路8的物理电结构的解释。如图2所示，设置有电路板11，其上输入/输出接口12，输入电路13，开关栅极驱动器14，R/D(分解/数字)转换器15以及微机16(包括CPU、ROM、RAM以及定时器)借助其中通过总线的电连接进行安装。将连接器15，16和17配备在电路板11上，如图所示。
通过控制电路8的组成部分(除开关栅极驱动器14)的运行实现由功能模块81到89所述的功能，如图3所示。具体地说，控制电路8能够具有电动机转数计算模块81(下文中，简称为“转数计算模块81”)，dq轴的电流指令产生模块82(下文中，简称为“电流指令模块82”)，三相电压指令产生模块83(下文中，简称为“三相电压指令模块83”)，两相调制电压指令产生模块84(下文中，简称为“两相调制电压指令模块84”)，以及连接到开关栅极驱动器14的PWM信号产生模块85。
在这些模块中，转数计算模块81从传感器6中接收表示电动机3的电角度θ的信号，以计算电动机3的转数Nmot。该模块81将所计算的转数给电流指令模块82，所述电流指令模块82还接收与转矩的幅值和方向相关的转矩指令trq*。
电流指令模块82使用转矩指令trq*以及电动机3的转数来计算d轴的电流id*以及q轴的电流iq*指令(dq轴的电流指令)，所述d轴的电流id*以及所述q轴的电流iq*是流过电动机3的电流。该模块82给三相电压指令模块83提供dq轴的电流指令。
三相电压指令模块83还接收表示电动机旋转角度θ的信号以及表示由传感器5和6实际检测的相电流的信号。该模块83使用所接收的信号以通过dq轴转换将所检测的相电流Iv和Iw转换为实际的dq轴的电流(d轴的电流id以及q轴的电流iq)，分别计算分配给坐标轴的电流差Δid以及Δiq，并且通过将PI计算应用到这些电流差Δid以及Δiq，使得电流差Δid以及Δiq变为零来计算三相电压指令U*、V*和W*。然后将所计算的三相电压指令U*、V*和W*给两相调制电压指令模块84。
一旦接收到这些指令U*，V*和W*，指令模块84运行以产生两相调制电压指令U**、V**和W**，以便将这些指令U**、V**和W**提供给PWM信号产生模块85。响应这种接收，产生模块85将致力于产生与两相调制电压指令U**、V**和W**对应的三相PWM电压VU、VV以及VW。
由PWM信号产生模块85产生的三相PWM电压VU、VV以及VW，被输出到开关栅极驱动器86上，其中它们将经历功率放大以产生六个栅极电压UU、UL、VU、VL、WU以及WL。将这些栅极电压分别施加到组成逆变器7的开关元件的栅电极上。
可如上概括控制电路8，其与常规公知的两相调制电动机控制装置类似。因此，下文中将仅描述与常规不同的控制电路8的结构部分。
上述不同在于两相调制电压指令模块84，其在本发明中是典型的。如图3所示，该模块84在功能上包括两相调制模式转换确定模块87(下文中称为“转换确定模块87”)，固定相确定模块88(下文中称为“固定相确定模块88”)，以及电压指令计算模块89(下文中称为“指令计算模块89”)。
首先，为了理解总体概念，在详细描述他们之前将模块连模块地简要概括上述模块87、88以及89。
转换确定模块87接收表示转矩指令值trq*以及电动机3的转数Nmot的信号，并且具有先前存储在模块87中的图。由此，该转换确定模块87将转矩指令值trq*以及转数与该图进行参照，以确定当前将要采用的两相调制模式。此后将以恰当的次序再次描述该模块87。
固定相确定模块88负责由转换确定模块87所确定的两相调制模式的固定相的确定。通过这种确定，计算出要进行固定的相以及用于固定该相的时间，进行该固定可基于三相电压指令U*、V*和W*。此后还将描述该模块87。
此外，指令计算模块89对三相电压指令U*、V和W*进行处理，使得在这些指令中，选择要进行固定的相并且将其固定在从当前具体的两个调制模式预先指定的电势上的相电压指令，以及剩余的两相电压指令被改变以保持预先指定的相对相电压。
因此，如上所知，输入到两相调制电压指令模块84中的三相调制电压指令U*、V*和W*分别被转换成两相调制电压指令U**、V**、W**。三相调制电压指令U*、V*和W*的波形示于图4中，基于“2π/3-固定技术”的两相调制波形的波形示于图5和6中，并且基于“π/3-固定技术”的两相调制波形的波形示于图7中。
图5中的波形示出一种被称作上臂固定技术的技术，采用该技术使将要电压固定的每相(绕组)的上臂元件被持续接通以便将要被固定的周期整体上以2π/3的间隔进行重复，这是因为对于将要电压固定的各相的相电压指令依次以2π/3的间隔被保持在其最大值上。相反，图6所示的波形示出一种被称作下臂固定技术的技术，采用该技术使将要电压固定的每相(绕组)的下臂被持续接通以便将要被固定的周期整体上以2π/3的间隔进行重复，这是因为对于将要电压固定的各相的相电压指令依次以2π/3的间隔被保持在其最大值上。
在本实施方案中，“2π/3-固定技术”采用下臂固定技术，而这并不是唯一的一种。可替换的是可采用上臂固定技术。还可一个接一个地采用上臂和下臂固定技术。
本实施方案采用“下臂固定技术”以及“2π/3固定技术”的原因在于制造电路的成本。特别是，当下臂元件(即，下开关元件)101导通并且上臂元件(即，上开关元件)102关断时，给用于驱动上臂元件102的驱动器100供电的电源电路103被制成如图8所示的自举电路。该电源电路可以防止电源电压103的电压下降，这样制造该电路的成本可减少。更具体地说，当下臂元件101导通时，下臂和上臂元件101和102的连接点上的电势下降。电容器103可通过二极管D由为驱动下臂元件101的驱动器105供电的电源104的电压VN充电，所述电容器用作为驱动上臂元件102的驱动器100供电的电源电路。
(转换确定模块87)现在根据其运行描述转换确定模块87。
该模块87依据电动机3的运行情况在基于“2π/3固定技术”的两相调制模式和基于“π/3固定技术”、“2π/3固定技术”的两相调制模式之间负责转换调制模式。为了实现这种转换，该模块87采用图9中所示的图。在安装于控制电路8中的存储器如ROM中形成该图。先前，该图被给定为二维，其为转矩量以及转数。因此，转矩指令trq*以及电动机转数Nmot把该图作为参考以确定应该采用“2π/3固定技术”以及“π/3固定技术”中的哪一种。
图9所示的图被制成二维坐标，其具有指定给转矩的纵轴以及指定给转数的横轴。该二维坐标具有内部和外部区域A1和A2，其中内部区域A1包括原点并且表示针对基于“2π/3固定技术”的运行范围，而外部区域A2围绕内部区域A1并且表示针对基于“π/3固定技术”的运行范围。在图9中，内部和外部区域A1和A2被分成四个象限。第一象限表示正转以及供电状态，第二象限表示反转以及再生状态，第三象限表示反转以及供电状态，第四象限表示正转以及再生状态。如图9所述，关于基于“2π/3-固定技术”的内部区域A1，在第二和第四象限中表示再生状态的面积大小比在第一和第三象限中表示供电状态的大。理由是，与表示供电状态的象限相比，即使要求相同转矩时，表示再生状态的象限的相电压指令在其幅值上比较小。图9中，优选地将内部区域A1(即，根据本发明预先指定的区域)确定为对应于在其内相电压的幅值小于预先指定的电平的一个区域。
现在解释图10中示出的流程图，其解释转换确定模块87的运行。可以把该确定模块87可以制成硬件电路，以与图10所示的软件运行相同的方式运行。该确定模块写入表示转矩量以及电动机3的转数的信号，以得到这些值(步骤S1)。模块87然后通过应用写入的转矩以及转数到图9所示的图上而确定基于“2π/3固定技术”的两相调制模式的调制模式或者基于“π/3固定技术”“2π/3固定技术”的两相调制模式(步骤S2)。
(固定相确定模块88)根据从“2π/3固定技术”和“π/3固定技术”中选择的当前技术，固定相确定模块88运行以固定将要出现的相电压指令，如图5或6以及7所示。
如图5所示，基于上臂固定技术的“2π/3固定技术”对三相电压指令U*、V*以及W*以这样的方式进行处理，使得在该三种指令中，指令将在逐相地依次循环的每个2π/3周期中具有最大幅值的一相的相电压指令固定为1(其占空比为100％)，并且使剩余两相的相电压指令换相以使得三相相对相电压在相同的2π/3周期中形成正弦波。
相反，如图6所示，基于下臂固定技术的“2π/3固定技术”对三个相电压指令U*、V*以及W*以这样的方式进行处理，使得在该三种指令中，指令将在逐相地依次重复的每个2π/3周期中具有最小幅值的一相的相电压指令固定为零(其占空比为0％)并且使剩余两相的相电压指令换相以使得三相相对相电压在相同的2π/3周期中形成正弦波。
如图7所示，在两相调制的“π/3固定技术”情况下，在三个三相电压指令U*、V*以及W*中，依据极性在每个π/3周期中将极性与剩余两相不同的一相的相电压固定为1(占空比为100％)或者零(占空比为0％)，使剩余两相的相电压指令在相同的π/3周期中如下述换相。例如，当U*＞0、V*＜0并且W*＜0时，将U*的指令固定为1(占空比为100％)，同时使V*以及W*的指令换相，以相对U*保持预先指定的相对相电压。当U*＜0、V*＞0并且W*＞0时，将U*的指令固定为0(占空比为0％)，同时使V*以及W*的指令换相以相对U*保持预先指定的相对相电压。这对指令V*以及W*也是成立的。
结果是，在本实施方案中，两相调制可在由转矩和转数定义的所有的运行范围上(即，从所有第一到第四象限上)被执行，如图9所示。两相调制优先于三相调制，这是因为由以两相调制运行的逆变器所执行的切换次数小于三相调制的运行。也就是说，开关损耗在两相调制中小于在三相调制中，由此提高逆变器效率。
从本实施方案得到的另一个好处是同时采用“2π/3固定技术”和“π/3固定技术”。“2π/3固定技术”使得两相调制在图上的运行区域A1中可稳定地进行，其中运行区域A1使得“π/3固定技术”难以进行，这是由于相电压的幅值在该图的该区域中小的缘故。同时，在该图上的其他运行区域A2中，有选择地采用造成更小开关损耗的“π/3固定技术”。因此，两种技术之间的转换变得更加稳定并且更加精确。另外，可最佳地使用在开关损耗中呈现最大减小的π/3固定技术。
(第一修改)第一修改与逆变器7的另一控制有关。具体地说，所有的三个下臂元件被接通，同时所有的三个上臂元件被关断。即设计控制电路8以运行图11粗略所示的流程表，其中判断是否已经写入逆变器停止指令(步骤S11)。当该判断为是时，逆变器7停止运行(步骤S12)。然后所有的下臂元件被接通并且所有的上臂元件被关断(步骤S13)。
因此，在图8所示的自举电路中，接通所有的下臂元件101使得电源104的电压VN快速对电容器103充电，电源104给驱动下臂元件101的驱动电路供电并且电容器103给驱动上臂元件102的驱动电路100供电。电容器103上的快速充电使得逆变器在以更短间隔设置的下一个时刻更好地被驱动。
(第二修改)第二修改与逆变器7的另一控制有关。图12概括出其上逆变器7由控制电路8进行控制的流程表。具体地，如在那里所示，通过检测逆变器启动指令，判断逆变器7是否已被启动(步骤S21)。如果判断为是，所有的上臂元件被接通并且所有的下臂元件被关断(步骤S22)。这种臂元件控制在启动逆变器7后持续一个预先指定的时间段(步骤S23)。
上臂和下臂元件102和101的这种控制导致，仅对于在逆变器7启动之后接着的所述预先指定的时间段，对电容器103进行充电。与第一修改类似，在图8所示的自举电路中，接通所有下臂元件101使得电源104的电压VN快速对电容器103充电。电容器103上的快速充电也允许逆变器在以更小时间间隔设定的下一个时刻更好地被驱动。
(第三修改)第三修改涉及在逆变器7和电动机3中出现错误或者故障时逆变器7的控制。
如图13所示，控制电路8采用恰当的检测或者计算装置确定是否出现这种错误或者故障(步骤S31)。当判断为是时，图8所示的自举电路中，所有的上臂元件102被关断并且所有的下臂元件101被接通(步骤S32)。
这种的控制允许电容器103(即，用于驱动上臂元件102的电源)，可进行放电，这样使上臂元件102不能接通，由此禁止逆变器7再进行运行。结果是，以更安全的方式防止逆变器7出现错误或者故障。
(第二实施方案)再次参考图2，现在描述根据本发明的电动机控制装置的第二实施方案。在该第二实施方案中，与第一实施方案相同或者相似的元件被给出相同的附图标记，这样为避免冗余解释可以简化或者省略其解释。对随后的实施方案以及修改也是使用这种方式解释。
尽管在上述第一实施方案中，基于转矩以及电动机3的转数在“2π/3固定技术”和“π/3固定技术”之间进行转换，但可与常规的类似，根据三相电压指令U*、V*以及W*的幅值进行那些转换。
为了实现这种转换，转换确定模块87被配置来接收三相电压指令U*、V*以及W*以检测其幅值。并且该确定模块87判断在三个三相电压指令U*、V*以及W*中所指定的一相指令是否具有大于给定阈值的幅值。当该判断为肯定的时，选择“π/3固定技术”，而当其为否定的时，选择“2π/3固定技术”。对于每个相电压指令依次进行这种技术选择。
在上述选择技术中，取代每个相电压指令的幅值，而可以使用每个相电压指令的均方根或者可以使用相电压指令的低频部分的幅值。
结果是，因为可执行两相调制，本实施方案仍然是有效的，由此可提高逆变器7的效率。这是因为具有更少开关损耗(即，开关损耗的数量小于三相调制中的数量)的两相调制可在由图9所示的四个象限所定义的整个运行范围上被执行。
(第三实施方案)再次参考图2，现在描述根据本发明的电动机控制装置的第三实施方案。
该实施方案采用另一个结构以可切换地选择“2π/3固定技术”以及“π/3固定技术”。具体而言，取代参考基于转矩和转数的图，在本实施方案中可以使用其他的物理量。即从图2中的电流指令模块82输出的q轴的电流指令值Iq*以及d轴的电流指令值Id*由转换确定模块87使用。这些指令Iq*和Id*被应用到保存在模块87中的图上，以便可切换地选择“2π/3固定技术”和“π/3固定技术”。在模块87中形成的图具有二维坐标将q轴电流指令值Iq*指定给纵轴和将d轴电流指令值Id*指定给横轴，如图21所示。
图21中所示的图只是一个例子，被定义在电流的坐标上，其中忽略了旋转方向。该图包括供电状态的第二象限和再生状态的第三象限，在这些象限中的指令都被改进以适应电动机的效率。
如图21所示，在该二维图中，由提供相电流指令的q轴的电流指令值Iq*以及d轴电流的指令值Id*定义的坐标位置被指定为“2π/3固定技术”的运行区域A1，该相电流指令的幅值低于给定的阈值。在二维图中的剩余运行区域A2被指定为“π/3固定技术”的区域。当然，该图可预先被存储在安装于转换指令模块87的存储器中。
与上述各种实施方案类似，基于从“2π/3固定技术”和“π/3固定技术”选择的任何一个的两相调制因此可对电动机3在所有运行象限均被实现，由此可提高逆变器7的效率。另外，采用“2π/3固定技术”的两相调制可在运行区域A1中被执行，其中“π/3固定技术”难以应用，这是由于相电压在由q轴和d轴的电流指令值Iq*以及Id*定义的图的某些范围内较低。在图的剩余区域A2中，转换到具有更少开关损耗的“2π/3固定技术”。由此，可以以稳定而且精确的方式进行两种技术之间的切换。
(第四实施方案)再次参考图2，现在描述本发明电动机控制装置的第四实施方案。
该实施方案采用另一种结构，该配置切换地选择用于两相调制的“2π/3固定技术”以及“三相调制”，而不是在全部用于两相调制的“2π/3固定技术”和“π/3固定技术”之间进行转换。根据本实施方案的转换由图2所示的转换指令模块87进行指令。然而，存储在该模块87中的图提供两相调制上的π/3固定范围以及三相调制范围。该图采用转矩和转数作为它的二维，与第一实施方案类似，或者采用q轴和d轴的电流指令值Iq*以及Id*，以便在图中形成两个选择性的运行区域。另外，对于三相调制，设计固定相确定模块88以忽略任一相电压指令的固定并且设计指令计算模块89以输出已经输入其中的三相电压指令U*、V*以及W*，没有任意处理施加其上。
因此，在其中由转矩和转数限定的相电压幅值小(参考图22)的运行区域A1中或者在其中由q轴和d轴的电流指令值Iq*以及Id*表示的相电压幅值小的运行区域A1中，设置调制模式与相电压的幅值本身不同。即，在这种运行区域A1中，可以指定三相调制，其由于不是正弦波函数在该时段波动更小，并且精确。
(第五实施方案)参考图14-18，现在描述本发明电动机控制装置的第五实施方案。
本实施方案涉及考虑到上臂与下臂元件上的温度而在具有“上臂固定技术”的“2π/3固定技术”和具有“下臂固定技术”的“2π/3固定技术”之间进行的转换控制。
根据该实施方案的电动机装置的整体结构与图1所示的类似，但是该电动机装置具有控制电路8’，其在功能结构上与第一实施方案不同。如图14所示，与图1所示的控制电路8相比，该实施方案的控制电路8’不具有“转数计算模块81”而具有与图1所示不同的“两相调制电压指令模块184”。在该模块184中，图1中的“切换确定模块87”与“固定相确定模块88”分别由“转换确定模块187”和“固定相确定模块188”替换。
连接到电动机8上、类似于图1所示的传感器6的电动机转动传感器6’，能够检测电动机3的旋转角度并且能够利用所检测的结果计算表示电动机3的转数Nmot的信号以及电动机3的电角度θ。表示转数Nmot的信号被供给“电流指令模块82”，同时表示电角度θ的信号被提供给“三相电压指令模块83”。
尤其，在本实施方案中，“转换确定模块187”和“固定相确定模块188”具有与第一实施方案不同的特点。
“转换确定模块187”包括软件定时器，以计数时钟脉冲并且判断定时器的计数是否达到给定量。并且当判断出计数达到给定量时，管理两种调制模式的模块187，切换电流调制模式到另一种。
这些调制模式是具有“上臂固定技术”的“2π/3固定技术”以及具有“下臂固定技术”的“2π/3固定技术”，其中具有“上臂固定技术”的“2π/3固定技术”下文中被称作“模式A”，具有“下臂固定技术”的“2π/3固定技术”下文中被称作“模式B”。关于这些模式，三相电压指令U*、V*以及W*的波形以及两相调制电压指令U**、V**以及W**分别示于图15和16中。
因此，该“转换确定模块187”运行如图17所示。判断定时器计数是否达到给定值(步骤S41)。并且当判断为是时，模式从“模式A”改变为“模式B”或者相反。例如，这种处理每隔Δt秒以定时器中断的形式实现。因此，如图18所示，模式A和B以一定的间隔依次进行重复，其中执行模式A和模式B中的每个以持续相同的指定时间段实施。由此一次模式A和一次模式B对应的总时间T任何时候都是恒定的。然而，只要模式A和模式B下的平均执行时间互相大致相等，作为变量，总时间T可每隔一个周期进行改变。
优选的是将选择地切换模式A和B的切换频率设定为在听觉频率范围之外。
另外，在前述自举电路可以被用作驱动逆变器7的上臂元件102的电源的情况下，优选的是逆变器7首先通过固定下臂元件101在其导通状态而进行启动。还优选的是，紧接在逆变器7被启动之后，为其中下臂元件101固定在其导通状态的第一时间段(即，没有切换)。
“固定相确定模块188”响应由上述“转换确定模块187”给出的两相调制模式，以便确定将要进行固定的相。所确定的相与所确定的两相调制模式一致。即，采用三相电压指令U*、V*以及W*，模块188确定将要固定的相以及固定相的时间段。
因此，模块188负责依据在具有“上臂固定技术”的“2π/3固定技术”和具有“下臂固定技术”的“2π/3固定技术”之间选择的一种，确定两相调制的固定相电压指令。在前者中，如图15所示，在三相电压指令U*、V*以及W*中，将其幅值在每个特定的120度周期最高的一个特定指令固定为1(占空比为100％)并且使剩余两个指令移位以产生三相相对相电压的正弦波。相反，在后者中，如图16所示，在三相电压指令U*、V*以及W*中，将其幅值在每个特定的120度周期最低的一个特定指令固定为0(占空比为0％)并且使剩余两个指令移位以产生三相相对相电压的正弦波。
此外，指令除了从模块87中接收表示所确定的两相调制模式的信息，指令计算模块189与图1所示的相同。
如上所述，在本实施方案中，在对两种模式所设置的平均时间周期互相大致相等的情况下，使具有“上臂固定技术”的“2π/3固定技术”以及具有“下臂固定技术”的“2π/3固定技术”交替进行。因此可能抑制上臂和下臂元件102和101上增加的温度的改变。这意味着可降低逆变器7的所有开关元件上的最大温度，由此使逆变器7的冷却系统机械简化并且紧凑。
(第六实施方案)参考图14和20，现在描述本发明的电动机控制装置的第六实施方案。
本实施方案涉及包括在逆变器7的某些臂元件上的温度检测的模式转换。即，取代对模式A和模式B中的每个指定相同的周期性能，而是对模式转换控制设置一个或者多个温度传感器。如图20所示，将温度传感器T/S安装在靠近下臂元件101以提供表示实际温度的信号Sts给控制电路8。
在控制电路8中，与上述不同，设计“转换确定模块187”以从温度传感器接收信号Sts(参考图14中的链状双虚线)并且如果实际检测的温度超出给定温度时，指令上臂元件102固定导通(即，模式A)仅一个指定时间段。设置预先指定的时间段，从而将要进行“导通”固定运行的上臂元件上的温度处在可允许的最大温度内。
尽管给下臂元件101以优先权对上述自举电路的稳定输出是必要的，但仅对下臂元件101的温度增加进行检测，以借助于将上臂元件102固定在导通状态而对温度增加进行抑制。
可将温度传感器TS安装在每个下臂元件101附近而进行上述控制。
可提供关于该实施方案的修改，其中可将温度传感器TS分别安装在上臂和下臂元件附近，并且当任意一侧的温度传感器检测到其量超出给定阈值的信号时，进行前述转换控制。
此外，温度传感器并不是必须的，然而可以通过计算估计上臂和/或下臂元件上的温度。这种计算使用所检测的相电流值以及与相电流有关的转矩和转数而进行。在这种判断中，可考虑周围的温度以提高温度估计的精确性。
此外，也可改变前述导通固定控制。在下臂元件102上的温度达到前述实施方案中给定的阈值的情况下，可以将上臂和下臂元件102和101以交替方式固定在其导通状态(即，没有切换)。可替换地，上臂和下臂元件102和101上的温度差等于或者大于期望阈值，则可以将上臂和下臂元件102和101交替地固定在其导通状态。
(第七实施方案)参考图20和18，现在描述根据本发明的电动机控制装置的第七实施方案。
该实施方案仍涉及所检测温度的模式控制。假定在逆变器7中，有时安装上臂元件102的冷却条件有时设置为次于下臂元件。这种冷却条件可由本实施方案来补偿。实际上，在这种条件下，将下臂元件101固定在导通状态(模式A)的时间段比将上臂元件102固定在导通状态(模式B)的长。
因此，可减小上臂和下臂元件102和101上的温度之间的不平衡，由此可使下臂元件101的固定导通周期更长，所述下臂元件101的固定导通周期在稳定自举电路的输出方面起着明显的作用。
(第八实施方案)参考图19，现在描述根据本发明的电动机控制装置的第八实施方案。
本实施方案涉及基于相电流的模式切换控制。当相电流低于预先指定的值时，将下臂元件101固定为导通(模式B；图19中的步骤S51和S52)。然而，当相电流等于或者大于预先指定的值时，模式A和B以交替方式在固定时间间隔上重复。这对于在相电流比较小的情况下使自举电路的输出稳定是有效的。
顺便提及，与上面相同的模式转换控制可采用某些其他的参数进行，其他参数如臂元件102和/或101上的温度以及电动机3的转矩。
(第九实施方案)参考图8，现在描述根据本发明的电动机控制装置的第九实施方案。
本实施方案提供图8所示的自举电路，其中将逆变器的下臂元件101固定在其导通状态，由此有时必须有间隔地降低连接下臂和上臂元件101和102的节点处的电势。因此相应于电源104对下臂元件101的电压VN经由二极管D对电容器103充电，所述电容器用作给上臂元件102的驱动器100供电的电源。可以抑制来自自举电路的电源电压的下降。
在采用自举电路的情况下，检测指定的运行条件以每隔一段时间将上臂元件固定在导通状态。这种预先指定的运行条件表示其中判断将要固定导通的下臂元件上的温度已经超过给定温度的情形。
(第十实施方案)现在描述根据本发明的电动机控制装置的第十实施方案。
本实施方案的特征在于在模式A和模式B之间插入基于三相调制的第三模式。在电动机3的转数高时，在每个馈送给电动机3的正弦电流的周期中PWM切换次数变少。如果模式A和模式B之间的切换在对应于约等于电流一个周期的一半的时间间隔上进行，那么PWM切换时间次数减小。在这种情况下，将执行三相调制的时间段插入在模式A和B的间隔之间。该插入能够暂时增加PWM切换时间次数，由此提供改进的对控制电流的遵守。因此，可以对缺陷，例如包括在电动机的转矩中的波动的低抗扰生提供一个解决方案，这些缺陷在当PWM的切换次数非常小时出现。
(第十一实施方案)参考图20，现在描述根据本发明的电动机控制装置的第十一实施方案。
本实施方案涉及致力使用模式B(即，具有“下臂导通固定技术”的“2π/3固定技术”)以及其中执行具有“π/3固定技术”(参考图7)的两相调制运行的模式。在不不用考虑开关器件上温度增加的运行情况下(如电流、温度和/或转矩条件)致力使用前一个技术，而如果不用考虑逆变器7的下臂元件上的增加则致力使用后一种技术。这种控制代替了涉及分别切换的上臂和下臂元件的技术之间的上述交替转换。
当执行具有“π/3固定技术”的两相调制运行时，将“π/3固定技术”分别以交替方式应用到上臂元件和下臂元件上，其由此阻止上臂元件和下臂元件的温度波动的出现。
尤其，如果三相AC电动机3运行在从非常低的速度到更低速度的速度范围内(电动机相电流的频率为约100Hz或者更小)时，在第五到第九以及第十一实施方案中涉及的前述两相调制具有较高的效率。
(实施方案总结)可以将关于前述实施方案的总结以与本发明各种模式相比较的方式列举如下。
首先，现在将总结第一到第四实施方案。
(1)在包括用于控制三相AC电动机的装置的电动机控制装置中，当相电压较大时，采用π/3固定技术替代传统的2π/3固定技术。从而，可以减小由于逆变器的切换而引起的损耗，尤其在供电、大转矩和高速度的电动机旋转区域引起的这种损耗，由此可以提高电动机的运行效率。
(2)根据用于该三相AC电动机装置的另一种模式，在三相调制和两相调制之间进行转换，所述两相调制是基于q轴和d轴的电流iq和id，而不是采用相电压的幅值，与前述的不同。确切地说，使用表示q轴和d轴的电流iq和id的图，使得在那些电流的绝对值较小(换句话说，在由q轴和d轴的电流iq和id定义的三相电压的幅值比较小的运行区域)的情况下，使用三相调制。然而，在与上述相反的情况下，执行两相调制。该两相调制技术可以是2π/3固定或者π/3固定技术。
切换固定技术的方式使得可能简化转换并且提高转换中的精确性。与相电压的幅值相比较，q轴和d轴的电流iq和id基本上几乎没有波动。从而采用这种电流iq和id可以容易地并且稳定地检测这种波动以提高转换的精确性。
(3)根据三相AC电动机装置的另一种模式，采用由电动机的转矩和转数确定的图(即，变量是转矩和转数的函数)也可以执行两相调制。在那些变量的绝对值的运行范围(即，由转矩和转数定义的三相电压的幅值比较小的运行范围)内，将三相电压输出给电动机。在与上述相反的情况下，转换控制被切换到两相调制。
这种方式使得能够容易地而且精确地执行转换。另外可以将极大地改善了开关损耗的π/3固定技术发挥到极至。与相电压幅值相比较，转矩和转数本质上造成极小波动并且可以容易地和精确地检测他们的波动。因此可以提高在转换控制中的精确性，同时将控制范围拓宽到能够适当地采用π/3固定技术的范围。
(4)根据三相AC电动机装置的另一种模式，作为两相调制技术通常采用π/3固定技术，而不采用通常的2π/3固定技术。从而，可以减小由于逆变器切换而引起的损耗，尤其在供电、大转矩和高速度的电动机旋转区域引起的这种损耗，由此可以提高电动机的运行效率。另外，在相电压的幅值如此小以至于不能精确地改变要固定的相的情况下，而采用具有高转换精确性的2π/3固定技术。
(5)其他优选的模式如下。通过举例，元件对中的每个包括上臂元件和下臂元件，其负责输出需要固定的相电压，2π/3固定技术允许上臂元件被固定在其关断状态，而下臂元件被固定在其导通状态。该固定控制在对驱动器电路供电以驱动上臂元件的自举电路中不会引起任何运行问题，即使上臂元件包括NMOS晶体管或者IBGT。
另外，紧接给三相AC电动机提供三相电压的逆变器启动之后，所有上臂元件被关断和所有下臂元件被接通。因此，即使上臂元件包括如NMOS晶体管或者IGBT这样的元件，与下臂元件类似，在自举电路的运行中不会引起任何问题。
另外，当逆变器被停止时，所有上臂元件被关断和所有下臂元件导被接通。这使得驱动器处于其待机状态，从而防止自举电路运行故障。同时，当检测出给三相AC电动机提供两相调制下的三相电压的逆变器在其运行中引起故障时，则所有上臂元件被接通而所有下臂元件被关断，其禁止逆变器运行。在这种情况下，自举电路中的内部电容器保持不充电，以便自举电路中不发生故障。
两相调制电动机控制技术可以被应用于驱动汽车的电动机，其中能耗将被大大降低。
其次，现在总结第五到第十一实施方案。
将详述关于逆变器的开关元件温度升高的问题。当采用基于2π/3固定技术的两相调制，在上臂元件的损耗(即，热量产生)和下臂元件的损耗(即，热量产生)之间将发生不平衡。这意味着，在逆变器的开关元件中承受最大损耗(即，热量产生)的一个元件的损耗不能充分降低，即使逆变器的损耗在整体上降低。
这可以通过举例说明上臂元件以电角度2π/3的间隔依次被固定在他们的导通状态(即，没有转换)来阻止。
开关元件的电阻损耗(简单损耗)是稳态损耗(导通损耗)和瞬态损耗之和。稳态损耗是当开关元件被接通时引起的电阻损耗，而瞬态损耗是在每个下臂元件的导通和关断之间的瞬间(状态跃迁期间)引起的电阻损耗。在普通条件下，可以说由于来自基于PWM方式驱动的下臂元件的热量产生导致的瞬态损耗比来自总是被固定在其导通状态的上臂元件的要大。
然而，使在关断基于PWM控制的下臂元件后流通的续流电流(flywheelcurrent)流经二极管，该二极管与被固定在导通状态的上臂元件和其他相的上臂元件相联。另外，流经两相的下臂元件的电流的总电流大体上流过剩余一相的固定导通的上臂元件。结果是，固定导通的上臂元件的电阻损耗(即，热量产生)比由PWM驱动的下臂元件的大。顺便提及，电阻损耗与电流的平方成比例。
因此，当采用MOS晶体管作为逆变器的开关元件时，则上述问题值得注意，该MOS晶体管通过使开关元件和续流二极管相互结合而产生。在这种结构中，上臂元件的温度增长加速，是因为这种温度增长促使上臂元件的导通电阻的增长。而且，强制从上臂元件产生的热量的这种增长以缩短电流的供应时间来防止元件过热。缩短的电流供应时间使供应到三相AC电动机的电流的波形的正负对称性变差。该缺点另外引起振动(转矩波动)的增加和电动机噪声。
比较而言，第五和第十一实施方案可以提供一种两相调制技术，其与常规的相比，能够减小每个开关逆变器的最大温度，而没有为逆变器增加制冷性能。
(6)具体而言，作为根据三相AC电动机装置的另一种模式，借助于在两种技术之间的转换实现基于2π/3固定技术的两相调制。一种技术是使用在下臂元件与上臂元件比较而言引起较小热量产生的上臂固定技术。另一种技术是使用在下臂元件上引起与上臂元件相比较大的热量产生的下臂固定技术。适当地转换或者以一定的间隔以交替的方式执行上臂和下臂固定技术。从而可以降低在上臂元件和下臂元件产生的热量之间的变化，以致与常规相比能够以一种很好的控制方式使逆变器的开关元件的最大温度下降。
开关元件的最大温度的上述下降也有助于缓解安装在逆变器中的制冷系统的性能。因此可以使整个电动机控制装置紧凑和轻便。
通过举例，基于采用2π/3固定的上臂固定技术的两相调制和采用2π/3固定的下臂固定技术的两相调制在执行每种调制的时间上相互相等或者近似相等。这使得在上臂或者下臂元件上产生的热量相互近似相等，导致上臂和下臂元件的温度变得相互近似相等。在实施方案中，这里所指的“近似相等”应当被解释为产生的热量具有从-30％到30％范围的误差。应该作为平均值测量上述执行时间。另外，对于在温度被平均的短时间周期，可以将产生的热量指定为处于上述范围之外的值。当然，以一定的间隔交替地选择导通固定的上臂和导通固定的下臂在控制中是简单的，并且是最适用的。
优选地，当在上臂或者下臂元件(即，在导通固定的臂元件；即在没有接收到PWM切换的元件)的温度或者温度的相应量时可以进行上述转换。在这种情况下，当在被固定在其导通状态的元件的温度达到给定值时，转换到另一元件。从而，在保证元件安全的同时，可以提高在选择被固定在其导通状态的元件时的自由度。温度的相应量可以是电流或者它的函数值(例如，电流平均值)。选择地，还可以使用与电流有关的参数，例如转矩或者转数。保护臂元件的温度传感器的输出也可被用作这样一种参数。在使用电流作为参数的情况下，也可以使用q轴和d轴的电流指令Iq*和Id*的矢量和或者矢量和的函数值。
可以将对于不同参数的这些变化应用于转换，所述转换是通过将给定值应用于上臂和下臂元件的温度和相应的值之间的差来实现的。这能够将上臂和下臂元件的温度改变限制在给定的范围内。
可以在逆变器中以相互分开的方式排列上臂和下臂元件，其中一边的元件比另一边的元件离高温源比较近或者在制冷装置方面比较薄弱。在这种情况下，优选地如果电动机处于供电运行时，排列在这样一种温度不利的环境下的元件进行导通固定，其平均延续时间比其他元件的要短。这可以抑制温度不利元件的温度上升，从而减小逆变器开关元件的温度变化，而同时降低它们的最大温度。当电动机处于再生运行时，排列在这样一种温度不利的环境下的元件进行关断固定，其平均延续时间比其他元件的要短。与上述导通固定类似，这对于抑制温度变化和它们的最大温度上升也是有效的。
在外部环境温度低或者逆变器在启动后处于早期阶段的情况下，不必要太过注意元件的温度上升。从而另一优选的技术是为了简化控制和减小由切换产生的噪音，可以停止在运行模式之间的上述转换。
当逆变器的上臂和下臂元件由MOS晶体管制成时，使根据关断PWM控制下的元件所引起的续流电流流过处于导通固定的MOS晶体管的寄生二极管。这增加了在导通固定MOS晶体管的热量产生。从而可能提高减小温度变化的效果。
优选地，将在两相调制技术之间的转换频率设置为处于音频范围之外的一个值，所述两相调制技术分别采用基于2π/3固定的上臂固定技术和基于2π/3固定的下臂固定技术。该音频范围通常可以被设置为40-15000Hz的范围，但是也可以考虑20-20000Hz的范围。因此可以减小由开关元件引起的噪声。
优选地，可以采用自举电路给上臂元件的驱动器供电。在该电路中，优选的基础控制是进行下臂元件的导通固定，其中只有当下臂元件的温度过度地升高时，才交替地执行下臂和上臂元件的导通控制，。在这种情况下，可以转换到导通固定的上臂元件一段预先指定的时间段。
这使得自举电路简化，因为它可以对上臂元件的驱动器供电。这是因为，在如图8所示的结构中，每个下臂元件都可以被固定在其导通状态并且在电容器的放电对下臂元件的驱动器的运行产生影响之前，通过二极管可以由电源对电容器再充电。
顺便提及，当采用自举电路时，设计上臂元件以在下列方式的源上(通常用于NMOS晶体管)或者下列方式的发射器上运行。在使上臂元件运行在下述运行的源上的情况下，有时不容易大幅地增加栅极电压。在这种情况下，与作为接地运行的下臂元件的MOS晶体管相比，运行在下列方式的源上的上臂元件(MOS晶体管)的导通电阻倾向于变大。因此，在这种情况下，期望上臂元件的导通固定时间的平均值比下臂元件的小一些，从而抑制上臂元件的热量产生的增加。
优选地，可以在用于两相调制的上臂固定以及2π/3固定技术和用于两相调制的下臂固定和2π/3固定技术之间设置三相调制。这对于防止电流波动是有效的，尤其当电动机转数高到馈给电动机的正弦电流的每个周期中PWM的切换次数变得相当少时。
另外，可以检测借助于两相调制的下臂元件导通固定的2π/3固定技术下臂元件的温度过度地升高，所述2π/3固定技术适用于自举电路的稳定运行。在这种情况下，替代在分别涉及被固定在其导通状态的上臂元件和下臂元件的两相调制之间的交替转换，可以执行采用π/3固定技术的两相调制。由此减小下臂元件的温度上升，所述下臂元件借助于导通固定的下臂元件的2π/3固定技术处于运行中。
可以以几种其他的形式实现本发明，而没有背离本发明的精神。既然本发明的范围是由附加的权利要求书而不是由在他们之前的说明书定义的，所以所述的本实施方案是说明性的而不是限制性的。因此，落于权利要求书的界限和范围或者这种界限和范围的等价之内的所有改变包含在权利要求书中。例如，可以省略电流传感器和转数传感器以得到三相AC电动机的无传感器类型，只要表示这种物理量的信息能够通过计算或者其他手段获得。
权利要求
1.一种控制三相AC电动机的装置，包括逆变器，可操作地被连接到电动机上，以响应三相PWM指令给电动机供电；以及控制电路，基于两种调制技术控制所述逆变器，所述两种调制技术依据表示电动机运行状态的信息有选择地从一种切换到另一种，所述两种调制技术中的一种给定PWM指令为两相调制，允许所述电动机的三相电压中的每个以π/3电角度的间隔依次被固定在预先指定的电压电平上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中表示所述电动机运行状态的所述信息是所述电动机的相电压，以及两种调制技术中的另一种给定所述PWM调制为三相调制；以及其中所述控制电路包括确定装置，确定相电压是否等于或者大于给定值，以及指令装置，选择性地指令在确定所述相电压小于所述给定值的情况下为三相调制，并且在确定所述相电压大于所述给定值的情况下为两相调制。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述电动机是为车辆运行产生动力的车载电动机。
4.根据权利要求1所述的装置，其中表示所述电动机运行状态的所述信息为所述电动机的相电压，并且所述两种调制技术中的另一种给定所述PWM调制为另一种两相调制，其中所述电动机三个相电压的每个以2π/3电角度的间隔依次被固定在预先指定的电压电平上；并且其中所述控制电路包括确定装置，确定相电压是否大于给定值，以及指令装置，选择性地指令在确定所述相电压小于所述给定值的情况下为所述另一种两相调制，并且在确定所述相电压大于所述给定值的情况下为所述两相调制。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件以及驱动上臂元件的自举电路，所述上臂元件和下臂元件中的任何一个承受固定在预先指定的电压电平上的相电压的输出，其中所述另一种两相调制不仅允许上臂元件固定在其关断状态而且允许下臂元件固定在其导通状态。
6.根据权利要求4的装置，其中逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件以及驱动上臂元件的自举电路，所述上臂元件和下臂元件中的任何一个承受固定在预先指定的电压电平上的相电压的输出，其中所述控制电路具有检测逆变器启动的装置，以及当检测到逆变器已经开始工作时指令所有上臂元件关断并且所有下臂元件导通的装置。
7.根据权利要求4所述的装置，其中所述逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件以及驱动上臂元件的自举电路，所述上臂元件和下臂元件中的任何一个承受固定在预先指定的电压电平上的相电压的输出，其中所述控制电路具有检测逆变器停止的装置，以及当检测到逆变器停止工作时指令所有的上臂元件关断并且所有的下臂元件导通使得逆变器处于待机状态的装置。
8.根据权利要求4的装置，其中逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件以及驱动上臂元件的自举电路，所述上臂元件和下臂元件中的任何一个承受固定在预先指定的电压电平上的相电压的输出，其中控制电路具有检测逆变器故障的装置，以及当检测到逆变器具有故障时指令所有的上臂元件导通并且所有的下臂元件关断使得逆变器禁止工作的装置。
9.根据权利要求4的装置，其中电动机是为车辆运行产生动力的车载电动机。
10.一种控制三相AC电动机的装置，包括逆变器，可操作地被连接到电动机上，以响应三相PWM指令给电动机供电；以及控制电路，基于两种调制技术控制所述逆变器，所述两种调制技术依据表示所述电动机运行状态的信息有选择地从一种切换到另一种，两种调制技术中的一种给定PWM指令为两相调制，两种调制技术中的另一种给定PWM指令为三相调制，将表示电动机运行状态的所述信息定义为具有四个象限的二维坐标图，并且该图包括第一区域和第二区域，所述第一区域包含坐标原点并且指定三相调制，所述第二区域在坐标中围绕所述第一区域并且指定两相调制。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述控制电路包括存储装置，存储所述图；获取装置，获取表示所述电动机运行状态的信息；确定装置，通过确定所述获取的信息落入所述图上的哪个区域中而确定两相和三相调制中的哪个将要被选择。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述信息是由电动机中的q轴的电流和d轴的电流所确定的二维坐标点，并且所述图的坐标由指定为q轴的电流和d轴的电流的互相正交的两轴进行定义。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述两相调制使得电动机的三个相电压中的每个以π/3电角度的间隔依次被固定在预先指定的电压电平上。
14.根据权利要求10所述的装置，其中所述信息为由电动机中引起的转矩量以及电动机的转数所限定的二维坐标点，并且所述图的坐标由指定给转矩和转数的互相正交的两轴进行定义。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述两相调制使得电动机的三个相电压中的每个以π/3电角度的间隔依次被固定在预先指定的电压电平上。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述图具有包括四个象限的二维坐标，所述四个象限包括表示正转以及供电状态的第一象限、表示反转以及再生状态的第二象限、表示反转以及供电状态的第三象限以及表示正转以及再生状态的第四象限。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述坐标中的第一区域定义相同旋转方向以及相同转数的转矩量或旋转，使得在表示再生的象限中定义的转矩量大于在表示供电的象限中定义的转矩量。
18.根据权利要求17所述的装置，其中定义所述坐标中的第一区域，使得第一象限中第一区域部分与第三象限中的第一区域部分具有基本相等的旋转对称性，并且第一象限中的第四区域部分与第三象限中的第二区域部分具有基本相等的旋转对称性。
19.一种控制三相AC电动机的装置，包括逆变器，可操作地被连接到电动机上，以响应三相PWM指令给电动机供电；以及控制电路，基于两种调制技术控制所述逆变器，所述两种调制技术依据表示电动机运行状态的信息有选择地从一种切换到另一种，所述两种调制技术中的一种给定PWM指令为第一两相调制，所述第一两相调制允许电动机三个相电压中的每个以2π/3电角度的间隔依次被固定在预先指定的电压电平上，所述两种调制技术中的另一种给定PWM指令为第二两相调制，所述第二两相调制允许电动机的三个相电压中的每个以π/3电角度的间隔依次被固定在预先指定的电压电平上。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述信息为所述电动机相电压的幅值其中所述控制电路包括第一确定装置，用于确定该相电压的幅值是否等于或者大于给定阈值，以及指令装置，用于当确定为相电压幅值小于所述阈值时指令第一两相调制，并且当确定为相电压幅值等于或者大于所述阈值时指令第二两相调制。
21.根据权利要求19所述的装置，其中将表示所述电动机运行状态的所述信息定义为包括四个象限的二维坐标图，并且所述图包括第一区域和第二区域，所述第一区域包含坐标原点并且指定三相调制，所述第二区域在坐标中围绕第一区域并且指定两相调制。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述信息是由所述电动机中的q轴的电流和d轴的电流所确定的二维坐标点，并且所述图的坐标由指定给q轴和d轴的电流的互相正交的两轴进行定义。
23.根据权利要求21所述的装置，其中所述信息是由所述电动机中引起的转矩量和电动机的转数所确定的二维坐标点，并且所述图的坐标由指定给转矩以及转数的互相正交的两轴进行定义。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述图具有包括四个象限的二维坐标，所述四个象限包括表示正转和供电状态的第一象限、表示反转和再生状态的第二象限、表示反转和供电状态的第三象限以及表示正转和再生状态的第四象限。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述坐标中第一区域定义相同旋转方向以及相同转数的转矩量或旋转，使得在表示再生的象限中定义的转矩量大于在表示供电的象限中定义的转矩量。
26.根据权利要求17所述的装置，其中定义所述坐标中的第一区域，使得第一象限中第一区域部分与第三象限中的第一区域部分具有基本相等的旋转对称性，并且第一象限中的第四区域部分与第三象限中的第二区域部分具有基本相等的旋转对称性。
27.根据权利要求19所述的装置，其中所述逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件以及驱动上臂元件的自举电路，所述上臂元件和下臂元件中的任何一个承受固定在预先指定的电压电平上的相电压的输出，其中所述另一种两相调制不仅允许上臂元件被固定在其关断状态而且允许下臂元件被固定在其导通状态。
28.根据权利要求19所述的装置，其中逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件以及驱动上臂元件的自举电路，所述上臂元件和下臂元件中的任何一个承受固定在预先指定的电压电平上的相电压的输出，其中所述控制电路具有检测逆变器启动的装置，以及当检测到逆变器已经开始工作时指令所有上臂元件关断以及所有下臂元件导通的装置。
29.根据权利要求19所述的装置，其中所述逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件以及驱动上臂元件的自举电路，所述上臂元件和下臂元件中的任何一个承受固定在预先指定的电压电平上的相电压的输出，其中所述控制电路具有检测逆变器停止的装置以及当检测到逆变器已经停止工作时指令所有上臂元件关断以及所有下臂元件导通而使得逆变器成为待机状态的装置。
30.根据权利要求19所述的装置，其中所述逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件以及驱动上臂元件的自举电路，所述上臂元件和下臂元件中的任何一个承受固定在预先指定的电压电平上的相电压的输出，其中所述控制电路具有检测逆变器故障的装置以及当检测到逆变器故障时指令所有上臂元件导通以及所有下臂元件关断而使得逆变器禁止工作的装置。
31.根据权利要求19所述的装置，其中所述电动机是为车辆运行产生动力的车载电动机。
32.一种控制三相AC电动机的装置，包括逆变器，可操作地被连接到电动机上以响应三相PWM指令而给电动机供电，所述逆变器配备有三个元件对，每个包括上臂元件和下臂元件，所述上臂元件和下臂元件中的每个接收对应三相PWM指令的调制电压，控制电路，基于第一和第二两相调制技术控制所述逆变器，所述第一和第二两相调制技术依据表示电动机运行状态的信息有选择地每隔一段时间或者交替地从一种切换到另一种，并且每个给定PWM指令为两相调制，所述两相调制允许电动机的三个相电压的每个以2π/3电角度的间隔依次被固定在预先指定的电压电平上，所述第一两相调制技术涉及指定给将要进行相电压固定的相的上臂元件导通和当时下臂元件关断，而第二两相调制技术涉及指定给将要进行相电压固定的相的上臂元件关断和当时下臂元件导通。
33.根据权利要求32所述的装置，其中每个均涉及将要进行相电压固定的上臂或者下臂元件的所述第一和第二两相调制技术在执行每种调制技术的时间上互相相等或基本相等。
34.根据权利要求32所述的装置，其中所述控制电路包括获得任一个将要进行相电压固定的上臂或者下臂元件上的温度或者与该温度对应的物理量的装置、确定温度或者相应的物理量是否超过给定值的装置以及当确定温度或者相应的物理量超过给定值时在第一和第二两相调制技术之间指令进行切换的装置。
35.根据权利要求32所述的装置，其中所述控制电路包括用于获取表示在上臂和下臂元件上引起的温度之间的差超出给定值的信息的装置，以及当确定温度之间的差超过给定值时指令在第一和第二两相调制技术之间进行转换的装置。
36.根据权利要求32所述的装置，其中所述控制装置包括控制转换的装置，使得在电动机处于上臂和下臂元件的供电运行的情况下，离高温加热物质较近的元件的导通时间平均短于离高温加热物质远的元件。
37.根据权利要求32所述的装置，其中所述控制装置包括控制转换的装置，使得在电动机处于上臂和下臂元件的再生运行的情况下，离高温加热物质较近的元件的关断时间平均短于离高温加热物质远的元件。
38.根据权利要求32所述的装置，其中所述控制电路包括获得任一个将要进行相电压固定的上臂或者下臂元件上的温度或者与该温度对应的物理量的装置、判断温度或者相应的物理量是否低于给定值的装置以及当确定温度或者相应的物理量低于给定值时在第一和第二两相调制技术之间指令停止转换的装置。
39.根据权利要求32所述的装置，其中所述控制电路被构造成基于所述第一和第二两相调制技术控制所述逆变器，所述第一和第二两相调制技术以设置在音频范围以外的开关频率有选择地从一种切换到另一种。
40.根据权利要求32所述的装置，其中所述逆变器的上臂和下臂元件分别是MOS晶体管。
41.根据权利要求32所述的装置，其中所述控制电路具有自举电路，所述自举电路将电源电压供给驱动指定给每相的上臂元件的驱动器，其中所述自举电路包括电源，给用于驱动指定给每相的下臂元件的驱动器供电，电容器，被电连接在上臂元件的驱动器以及连接上臂和下臂元件的连接点之间，以及二极管，被连接在电容器和电源之间，以使得来自电源和电容的电流可以流动，其中对上臂和下臂元件的驱动器这样进行控制，使得在上臂元件导通之后，下臂元件在不影响上臂元件的驱动器工作的时间段内导通。
42.根据权利要求32所述的装置，其中所述控制电路被构造成将基于三相调制控制逆变器的一段时间插入到基于第一和第二两相调制技术控制的逆变器的两种运行中。
43.一种控制三相AC电动机的装置，包括逆变器，可操作地被连接到电动机上以响应三相PWM指令供电给电动机，所述逆变器配备有三个元件对，每个元件对包括上臂元件和下臂元件，所述上臂元件和下臂元件的每个接收对应于三相PWM指令的调制电压，控制电路，基于所述第一和第二两相调制技术控制逆变器，所述第一和第二两相调制技术依据表示电动机运行状态的信息有选择地从一种切换到另一种并且被构造成给定PWM指令为两相调制，该两相调制使得电动机三个相电压中的每个分别以2π/3和π/3的电角度的间隔依次被固定在预先指定的电压电平上，并且所述第一两相调制技术涉及指定给将要进行相电压固定的相的上臂元件导通和当时下臂元件关断，其中当导通的臂元件上的温度或者与该温度对应的物理量超过给定值时进行从第一两相调制技术到第二两相调制技术的切换。
全文摘要
提供一种装置以控制三相AC电动机，并且该装置包括逆变器和控制器。该逆变器响应三相PWM指令给电动机供电。控制电路基于两种调制技术控制逆变器，该两种调制技术依据表示电动机运行状态的信息选择性地从一种切换到另一种。一种调制技术给定PWM指令为第一两相调制，该第一两相调制使得每个相电压以2π/3电角度的时间间隔依次被固定在预先指定的电压电平上。另一种调制技术给定PWM指令为第二两相调制，该第二两相调制使得每个相电压以π/3电角度的时间间隔依次被固定在预先指定的电压电平上。该切换可在两相和三相调制之间进行或者可考虑到开关元件上的温度而进行。
文档编号H02M7/5387GK1658486SQ200510064079
公开日2005年8月24日 申请日期2005年2月16日 优先权日2004年2月10日
发明者伊藤武志, 辻浩也 申请人:株式会社电装