专利名称：用于电动车辆的换流器的制作方法
技术领域：
本发明的方案涉及一种用于电动车辆的换流器(inverter)，并且更特别地涉及这样一种用于电动车辆的换流器即使当由于故障而导致不能进行向量控制时，所述用于电动车辆的换流器也能在电压/频率(V/f)控制下使驾驶员保持对电动车辆的驾驶感觉，该驾驶感觉类似于在电动车辆的速度(位置)传感器发生故障之前的向量控制下的驾驶感觉。
背景技术：
通常，由换流器驱动的电动机在速度控制模式下运行。换流器接收从外部(驾驶员)输入的电动机待按其旋转的速度并且控制换流器的输出电压以使电动机基于输入速度的指令旋转。另一方面，用于电动车辆的换流器不直接接收从外部(驾驶员)输入的速度指令， 而是响应于安装到电动车辆中的加速踏板的输入而控制换流器的输出电压。也就是说，如果感测到驾驶员已经踩压加速踏板，则电动车辆通过与加速踏板的踩压度成比例地增加电动机的旋转频率来连续地增加速度。如果驾驶员将他/她的脚从加速踏板移开，则换流器通过产生电动机的零输出转矩或使电动机的输出转矩反向来降低电动机的旋转频率从而控制电动车辆减速。用于电动车辆的换流器的控制方法不是换流器通过接收速度指令来控制电动机的速度的速度控制方法，而是换流器基于加速踏板的状态来控制电动机的转矩的转矩控制方法，这是通过驾驶员控制电动车辆的速度(电动机的旋转频率)而获得的结果(当速度低时踩压加速踏板，当速度高时将他/她的脚从加速踏板移开或者拉下制动器)。也就是说，电动机的控制分为不需要速度(位置)传感器的输入的标量控制方法和需要传感器的向量控制方法。通常，能够执行瞬时转矩控制的向量控制方法广泛地用于电动车辆的控制中。如果速度传感器在电动车辆驾驶时发生故障，则不可能使用向量控制方法来驱动电动车辆。因此，需要开发出一种用于电动车辆的换流器，所述换流器设置有用于在作为标量控制方法的电压/频率控制之下生成速度指令的速度指令生成单元，以使驾驶员能够不变地保持对电动车辆的现有驾驶感觉。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于电动车辆的换流器，并且更特别地涉及这样一种用于电动车辆的换流器即使当由于故障而导致不能进行向量控制时，所述用于电动车辆的换流器也能在电压/频率(V/f)控制下使驾驶员保持对电动车辆的驾驶感觉，该驾驶感觉类似于在电动车辆的速度(位置)传感器发生故障之前的向量控制下的驾驶感觉。根据本发明的方案，提供了一种用于电动车辆的换流器，所述换流器包括速度指令生成单元，其被配置为基于从加速踏板输出的工作/空闲信号来输出用于改变电动机的旋转频率的速度指令；频率电压转换单元，其被配置为基于所述速度指令的频率来输出电压指令；积分器，其被配置为通过对所述速度指令的频率执行积分来输出旋转角度；以及 2-3相位转换器，其被配置为接收所述电压指令和所述旋转角度并且将接收到电压指令和旋转角度转换成三相电压指令。所述速度指令生成单元可以包括存储器，其中存储有所述电动机旋转的最大频率、频率增量和频率减量；以及控制单元，其被配置为当加速踏板工作时使所述速度指令的频率增加所述频率增量，并且当加速踏板空闲时，使所述速度指令的频率减小所述频率减量。所述频率电压转换单元输出所述电动机的电压指令，所述电压指令是通过使所述速度指令的所述频率乘以额定电压/额定频率的比率而获得的。
结合附图，通过下面对实施例的描述，本发明的这些和/其它方案和优点将变得显而易见且更易于理解，其中图1为使用位置传感器的输出值由向量控制方法实现的用于电动车辆的换流器的方框构造图；图2为示出通过向量控制方法根据加速踏板的踩压度产生的感应电动机的转矩的曲线图；图3为根据本发明的实施例由电压/频率控制方法实现的用于电动车辆的换流器的方框构造图；图4为图示出根据本发明的实施例的速度指令生成单元的电压/频率控制方法的流程图；以及图5为示出根据加速踏板的踩压度的速度指令生成单元的频率指令的曲线图，其根据本发明的实施例由电压/频率控制方法生成。
具体实施例方式在下文中将参照附图更加全面地描述本发明，其中示出了本发明的实施例。然而， 本发明可以许多不同的形式来实施并且不应当被解释为限制为这里所阐述的实施例。而是，提供这些实施例以使本公开完整并且将向本领域的技术人员完整地传达本发明的范围。图1是使用位置传感器的输出值由向量控制方法实现的用于电动车辆的换流器的方框构造图。首先，将对用于电动车辆的换流器进行描述，其由独立地控制连接有速度传感器的电动机的磁通电流和转矩电流的向量控制方法实现。如图1所示，由向量控制方法实现的用于电动车辆的换流器100输出能够使电动机101旋转的电压，从而通过驾驶员对电动车辆的加速踏板的操作以驾驶员期望的速度来驾驶电动车辆。当电动机101的轴旋转时，安装到电动机101的轴上的速度传感器102(例如，增量编码器)首先输出与旋转角度的变化成比例的脉冲。连接至电动车辆的加速踏板的电位计104输出电动机的转矩电流指令i*q，该指令与加速踏板的踩压度成比例。例如，当驾驶员完全踩下加速踏板时，电位计104输出额定电流，而当驾驶员将他/她的脚从加速踏板移开时电位计104输出OA。第一减法器105通过从转矩电流指令减去转矩电流iq来检测转矩电流误差。 第二减法器106通过从磁通电流指令Pd减去磁通电流id来检测磁通电流误差。这里，转矩电流iq和磁通电流id均为由3-2相位转换单元112输出的电流。转矩电流控制单元107基于转矩电流误差使用比例积分(PI)控制生成转矩电压指令V、。在转矩电流控制单元107中，Kp_q表示比例增益，Ki_q表示积分增益，并且s表示拉普拉斯(Laplace)算子。磁通电流控制单元108基于磁通电流误差使用PI控制生成磁通电压指令V*d。在磁通电流控制单元108中，Kp_d表示比例增益，Ki_d表示积分增益， 并且s表示拉普拉斯算子。2-3转换单元109接收从电动机101输入的转子的磁通角θ e，并且使用下列表达式1和2将转矩电流控制单元107的转矩电压指令V、和磁通电流控制单元108的磁通电压指令转换成三相电压指令V*a、V*b和。[表达式1]V*ds = -sin ( θ e) *V*q+cos ( θ e) *V*dV*ds = cos ( θ e) *V*q+sin ( θ e) *V*d[表达式2]V*a = V*dsV*b = (-0. 5) * (V*ds-SQRT (3) *V*qs)V*c = (-0. 5) * (V*ds+SQRT (3) *V*qs)
这里，V*ds和V*qs表示参数。包括功率半导体元件(绝缘栅型双极晶体管IGBT)的电压调节单元110接收从 2-3相位转换单元109输入的三相电压指令V*a、V*b和V、，并且使用脉冲宽度调制(PWM) 技术向电动机101施加分别由三相电压指令V、、V*b和V、控制的三相输出电压。电流传感器111设置到三相输出线路上并且分别检测电动机101的三相电流ia、 ib和ic。3-2相位转换单元112接收从电动机101输入的转子的磁通角θ e，并且使用下列表达式3和4将电动机101的三相电流ia、ib和ic转换成转矩电流iq和磁通电流id。[表达式3]Ids = (2*ia-ib-ic)/3Iqs = (ib-ic)/SQRT(3)[表达式4]iq = cos ( θ e) *Iqs+cos ( θ e) *Idsid = sin ( θ e) *lqs+sin ( θ e) *Ids这里，Ids和Iqs表示参数。脉冲放大器113接收作为速度传感器102的输出的脉冲串，并且计算电动机的转子的机械位置θω。乘法器114通过使电动机的转子的机械位置θω乘以2/极数的常数K 来计算电动机的转子的电位置θ ρ差频计算器115接收作为3-2相位转换单元112的输出的磁通电流id和转矩电流iq，并且使用下列表达式5来计算电动机101的差频Wsl。[表达式δ]
Wsl = Rr*Iqs/(Lr^Ids)这里，Rr表示电动机的转子的电阻，而Lr表示电动机的转子的感应系数。转子的时间常数Tr表示为Rr/Lr。积分器116通过对差频Wsl进行积分来计算偏行角(slip angle) θ sl。加法器117 计算电动机101的转子的磁通角(θ e = θ sl+ θ》，这使得能够通过使电动机的转子的偏行角9sl和电位置θ^相加来独立地控制电动机的转矩和磁通量。这里，使用转子的磁通角 θ e的控制方法来独立地控制磁通电流和转矩电流的方法被称为间接向量控制方法。如上所述，用于电动车辆的换流器使用向量控制方法来控制对应于通过加速踏板从外部输入的转矩电流指令的电动机101的转矩，从而实现驾驶员所期望的加速特性。图2是示出通过向量控制方法根据加速踏板的踩压度产生的感应电动机的转矩的曲线图。如图2所示，如果电动车辆的速度202小于驾驶员意图驾驶的电动车辆的速度 201，则驾驶员通过踩压加速踏板来增加电动车辆的速度，从而从电动机产生转矩。如果电动车辆的速度202大于驾驶员意图驾驶的电动车辆的速度201，则驾驶员使他/她的脚从加速踏板移开，从而使电动机的转矩变为零。由于电动机的转矩204的形式与加速踏板的输入203的范围等同，因此可以通过驾驶员对加速踏板的重复操作控制电动机的转矩来使电动车辆的速度保持恒定。普通的向量控制换流器设置有用于恒定地保持速度的自动速度调节器(ASR)，使得换流器在从外部输入速度指令的情况下自动地控制电动机的转矩。另一方面，由于驾驶员负责用于电动车辆的换流器中的速度控制器，因此电动机的转矩通过加速踏板进行控制。也就是说，用于电动车辆的换流器在转矩控制模式下运行，其中从外部输入的是由加速器产生的转矩指令而不是速度指令。由于用于电动车辆的换流器不在速度控制模式下运行而是在转矩控制模式下运行，因此需要电动机的瞬时转矩控制，并且必需将向量控制方法应用于用于电动车辆的换流器。必然需要用于检测电动机的旋转角度的速度传感器来执行向量控制方法。尽管速度传感器发生了故障，但用于电动车辆的换流器也能够不通过使用向量控制方法而是通过使用作为标量控制方法的电压/频率控制方法来控制电动车辆的速度使之恒定。然而，如果在向量控制方法中电动机的旋转速度被控制为与加速踏板的踩压度成比例，则加速踏板必需固定在特定位置处以便使电动车辆保持恒定速度。因此，在电压/频率控制下的加速踏板的操作方法不同于驾驶员之前擅长的转矩控制下的加速踏板的操作方法，因此驾驶员难以在保持现有驾驶感觉的同时驾驶电动车辆。在速度传感器发生故障的情况下，下面将描述根据本发明的实施例的由电压/频率控制方法实现的用于电动车辆的换流器。图3是根据本发明的实施例由电压/频率控制方法实现的用于电动车辆的换流器的方框构造图。如图3所示，用于电动车辆的换流器300包括输出速度指令的速度指令生成单元 303、频率电压转换单元304、积分器305、2-3相位转换器306和电压调节单元307。速度指令生成单元303感测电动车辆的加速踏板被踩压(加速踏板的踩压被称为 ‘工作(ON)’)的状态，并且生成类似于转矩控制模式下的控制特性的速度指令ffe。速度指令生成单元303输出速度指令，所述速度指令不是通过调节由从加速踏板输出的信号产生的转矩而是通过调节施加的电信号的频率来改变电动机302的速度。也就是说，当从加速踏板输出的信号为工作时，速度指令生成单元303按预定的比率增加频率，并且当从加速踏板输出的信号为空闲(off)时，速度指令生成单元303按预定的比率降低频率。频率电压转换单元304输出电动机的电压指令(对应于向量控制的转矩电压指令)，所述电压指令V、是通过使输入的速度指令We乘以电动机302的额定电压/额定频率的比率K来获得的。由于速度传感器处于故障状态，因此在电压/频率控制下将向量控制的磁通电压指令V*d设定为零。例如，在其额定电压/额定频率为60Hz/380V的电动机的情况下，当速度指令生成单元303的输出为30Hz时，频率电压转换单元304的输出变成 30*380/60 = 190V。积分器305通过对速度指令We进行积分来估算施加到电动机302上的电压的旋
转角度θε。2-3相位转换器306接收作为频率电压转换单元304的输出的电压指令V*q、接收 v*d = 0和作为积分器305的输出的旋转角度θ e,并且使用下列表达式6和7将它们转换成三相电压指令V*a、V*b和W[表达式6]V*ds = -sin( θ e)*V*qV*qs = cos( θ e)*V*q[表达式7]V*a = V*dsV*b = (-0. 5) * (V*ds-SQRT (3) *V*qs)V*c = (-0. 5) * (V*ds-SQRT (3) *V*qs)这里，V*ds和V*qs表示参数。包括功率半导体元件(IGBT)的电压调节单元307接收从2_3相位转换器306输入的三相电压指令VWb和rC，并且通过PWM将分别由三相电压指令VWb和控制的三相输出电压施加到电动机302，从而驱动电动机302。图4为图示出根据本发明的实施例的速度指令生成单元的电压/频率控制方法的流程图。首先，如果电动车辆启动(SlO)，则速度指令生成单元在生成速度(频率)指令We 之前将以前的速度(频率)指令We初始化为零。然后，速度指令生成单元读取之前存储在存储器(未示出)中的电动机能够按其旋转的最大频率(下文中称为Wmax)、当加速踏板为工作时的指令频率增量(下文中称为Winc)和当加速踏板为空闲时的指令频率减量(下文中称为 Wdec) (Sll)。接下来，在接收到从存储器输入的Wmax、Winc和Wec之后，速度指令生成单元判定加速踏板的状态(S12)。在加速踏板为工作的情况下，速度指令生成单元使频率指令 We增加Winc(S13)。在通过将增加后的频率指令与Wmax的大小进行比较(S14)而得出频率指令We的大小大于Wmax的大小的情况下，速度指令生成单元将频率指令We限制为 Wmax (S 15)并且输出计算出的频率指令We (S19)。同时，在通过判定加速踏板的状态(Si》而得出加速踏板为空闲的情况下，速度指令生成单元使频率指令减小Wdec (S16)。在通过将减小后的频率指令与最小频率进行比较(S17)而得出减小后的频率指令小于零的情况下，速度指令生成单元将频率指令We限制为最小频率(S18)并且输出计算出的频率指令ffe。在减小后的频率指令不小于零的情况下，速度指令生成单元输出减小后的频率指令(S19)。然后，如果判定出正在驾驶电动车辆， 则速度指令生成单元判定加速踏板的状态(Si》并且连续地执行生成速度(频率)指令的操作。在电动车辆的启动为停止的情况下，速度指令生成单元结束生成速度(频率)指令的操作(S21)。图5是示出根据加速踏板的踩压度的速度指令生成单元的频率指令的曲线图，其根据本发明的实施例由电压/频率控制方法生成。如图5所示，驾驶员操作加速踏板的状态503，以使电动车辆的速度502接近驾驶员意图驾驶的电动车辆的速度501。对应于加速踏板的工作或空闲状态，速度指令生成单元按预定比率增加或减小频率指令504。也就是说，当将图5的加速踏板的空闲状态与图2的加速踏板的空闲状态进行比较时，在图2中加速踏板空闲的状态下，电动机的转矩不存在，因此电动车辆的速度自然地减小。然而，在图5中，在加速踏板空闲的状态下频率降低，从而减小了电动车辆的速度。因此，用于电动车辆的换流器增加或降低电动机的旋转频率，以使得当速度传感器发生故障时可以为驾驶员提供类似于故障发生之前的在向量控制下的对电动车辆的驾驶感觉。在根据本发明的实施例的用于电动车辆的换流器中，当由于向量控制因位置(速度)传感器发生故障而不能进行从而执行电压/频率(V/f)控制时，当驾驶员踩压加速踏板时换流器增加电动机的旋转频率，而当驾驶员不踩压加速踏板时换流器降低电动机的旋转频率，从而可以为驾驶员提供类似于故障发生之前的在向量控制下的对电动车辆的驾驶感觉。尽管本发明已结合优选实施例进行了描述，但本发明的实施例仅用于阐释的目的并且不应当被解释为限制本发明的范围。本领域技术人员应当理解的是，可以在由随附的权利要求限定的技术精神和范围内对本发明的实施例进行各种变型和改进。
权利要求
1.一种用于电动车辆的换流器，所述换流器驱动电动机，所述换流器的特征在于包括速度指令生成单元(303)，其连接至加速踏板以便基于从所述加速踏板输出的工作/ 空闲信号来输出用于改变电动机的旋转频率的速度指令；频率电压转换单元(304)，其被配置为基于所述速度指令的频率来输出电压指令； 积分器(305)，其被配置为通过对所述速度指令的所述频率执行积分来输出旋转角度；以及2-3相位转换器(306)，其被配置为接收所述电压指令和所述旋转角度，并且将接收到的电压指令和接收到的旋转角度转换成三相电压指令。
2.根据权利要求1所述的换流器，其进一步的特征在于电压调节单元(307)，所述电压调节单元(307)被配置为从所述2-3相位转换器接收所述三相电压指令，并且使用脉冲宽度调制将三相输出电压输出至所述电动机。
3.根据权利要求1所述的换流器，其特征在于，所述速度指令生成单元(30 包括 存储器，其中存储有所述电动机旋转的最大频率Wmax、频率增量Winc和频率减量Wdec ；以及控制单元，其被配置为当所述加速踏板工作时使所述速度指令的频率增加所述频率增量Winc，并且当所述加速踏板空闲时使所述速度指令的频率减小所述频率减量Wdec。
4.根据权利要求3所述的换流器，其特征在于，所述控制单元在从最小频率Wmin至最大频率Wmax的范围内调节所述速度指令的频率。
5.根据权利要求4所述的换流器，其特征在于，当所述加速踏板工作时，当所述速度指令的增加后的频率小于所述最大频率Wmax时，所述控制单元输出所述速度指令的增加后的频率，并且当所述速度指令的增加后的频率大于所述最大频率Wmax时，所述控制单元输出所述最大频率Wmax。
6.根据权利要求4所述的换流器，其特征在于，当所述加速踏板空闲时，当所述速度指令的减小后的频率大于所述最小频率Wmin时，所述控制单元输出所述速度指令的减少后的频率，并且当所述速度指令的减小后的频率小于所述最小频率Wmin时，所述控制单元输出所述最小频率Wmin。
7.根据权利要求1所述的换流器，其特征在于，所述频率电压转换单元(304)输出所述电动机的电压指令，所述电压指令是通过使所述速度指令的频率乘以额定电压/额定频率的比率K而获得的。
全文摘要
本发明提供了一种用于电动车辆的换流器，所述用于电动车辆的换流器包括速度指令生成单元、频率电压转换单元、积分器和2-3相位转换器。速度指令生成单元基于从加速踏板输出的工作/空闲信号来输出用于改变电动机的旋转频率的速度指令。频率电压转换单元基于速度指令的频率来输出电压指令。积分器通过对速度指令的频率执行积分来输出旋转角度。2-3相位转换器接收电压指令和旋转角度并且将接收到的电压指令和旋转角度转换成三相电压指令。
文档编号H02P23/14GK102315818SQ20111018937
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月1日 优先权日2010年7月2日
发明者洪赞旭 申请人:Ls产电株式会社