用于控制驱动电机的逆变器的系统和方法与流程

本发明涉及用于控制驱动电机的逆变器的系统和方法，更具体地，涉及考虑到脉冲宽度调制的控制技术的特点的用于控制驱动电机的逆变器以改善控制特性而不提高脉冲宽度调制信号的频率的系统和方法。

背景技术：

通常，用于驱动电机的系统可以包括电力储存装置(例如，电池)、逆变器以及电机，所述逆变器用于将储存在电力储存装置中的dc电力转换为用于驱动电机的ac电力。

在此，逆变器可以包括多个开关元件，并且通过脉冲宽度调制(pwm)控制开关元件而产生ac电力。通过逆变器产生的ac电力被供应给电机使电机工作。

用于包括在逆变器中的开关元件的pwm控制的脉冲宽度调制信号是具有以预定间隔重复的高低状态的脉冲信号，可以对占空比周期或占空比(其为脉冲宽度调制信号为高状态的部分的比率)进行控制从而对供应给电机的电力水平进行调节。

当脉冲宽度调制信号具有高频率时，提供给电机的驱动电压和驱动电流的谐波减小，并且与脉冲宽度调制信号相关的控制周期变得更快，因此可以改善电机控制特性。另一方面，脉冲宽度调制信号的高频率可能会由于开关元件的频繁开关而引起损耗，从而降低效率。

对考虑到pwm控制技术的这些特点，在降低脉冲宽度调制信号的频率的同时减少谐波并改善控制特性的各种技术进行了研究。

背景技术所描述的细节仅仅旨在帮助对本发明的背景的了解，而不能被解释为承认本领域普通技术人员所不知道的相关技术。

本发明的背景技术部分所包含的信息仅用于加强对本发明的一般背景的理解，而不视为承认或任何形式的暗示该信息构成本领域技术人员已知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的各个方面致力于提供一种用于控制驱动电机的逆变器的系统和方法以通过增加检测信号采样操作和用于电机控制的控制操作的数量，而不引起由于脉冲宽度调制信号的频率的增加而造成的开关损耗来提高可控性。

为了实现该目标，本发明的各个方面致力于提供一种用于控制驱动电机的逆变器的系统，该系统包括：电机、逆变器、电流传感器、旋转角度传感器以及控制器；所述逆变器包括由脉冲宽度调制信号打开/关闭的多个开关元件，根据多个开关元件的打开/关闭将dc电力转换为ac电力，并将ac电力供应给电机；所述电流传感器用于检测和输出提供给电机的电流；所述旋转角度传感器用于检测和输出电机的转子角度；所述控制器用于基于由电流传感器和旋转角度传感器检测的值以及电机的扭矩命令，执行用于确定脉冲宽度调制信号的占空比的占空比确定控制，将执行占空比确定控制的时间与脉冲宽度调制信号相关联，并且根据随机设定时间，通过改变脉冲宽度调制信号为高状态的部分出现的时间点，来任意地改变执行占空比确定控制的时间。

在本发明的示例性实施方案中，控制器可以在保持脉冲宽度调制信号的周期的同时，根据随机设定时间改变脉冲宽度调制信号为高状态的部分出现的时间点。

在本发明的示例性实施方案中，控制器可以在脉冲宽度调制信号的上升沿之前和之后的由上升沿分隔的时间点执行占空比确定控制，并且一次占空比确定控制的开始时间可以为从前两次占空比确定控制的开始时间起经过脉冲宽度调制信号的一个周期的时间。

在本发明的示例性实施方案中，控制器可以包括随机数产生器、采样单元、电流控制器以及脉冲宽度调制信号产生器；所述随机数产生器用于产生随机设定时间；所述采样单元用于在利用由随机数产生器产生的随机设定时间确定的采样时间对从电流传感器和旋转角度传感器输出的信号进行采样以产生电流检测值和旋转角度检测值；所述电流控制器用于基于由采样单元产生的电流检测值和旋转角度检测值以及对应于电机的扭矩命令的电流命令来产生电机的每相的电压命令；所述脉冲宽度调制信号产生器用于产生用于控制逆变器的开关元件的打开/关闭的脉冲宽度调制信号以输出对应于电压命令的每相的电压，并且根据随机设定时间，改变对应于脉冲宽度调制信号为高状态的部分的时间点。

在本发明的示例性实施方案中，随机数产生器可以基于脉冲宽度调制信号的周期以及用于占空比确定控制的预定的时间限制来限制随机设定时间的长短。

在本发明的示例性实施方案中，随机数产生器可以根据以下表达式限制随机设定时间的长短：

(pwm周期×0.5)–(用于占空比确定控制的时间限制)≥α(α是随机设定时间)。

为了实现该目标，本发明的各个方面致力于提供一种用于控制驱动电机的逆变器的方法，该方法包括：确定随机设定时间；根据随机设定时间确定采样时间，并且在确定的采样时间对电机驱动电流检测信号和电机转子角度检测信号进行采样；基于采样的值和电机的扭矩命令产生用于控制包括在给电机提供驱动电力的逆变器中的开关元件的打开/关闭的脉冲宽度调制信号；其中，在产生脉冲宽度调制信号时产生的脉冲宽度调制信号为高状态的部分出现的时间点根据随机设定时间而改变，并且采样时间与脉冲宽度调制信号相关联。

根据用于控制驱动电机的逆变器的系统和方法，可以通过在脉冲宽度调制信号的一个周期内执行两次采样和占空比确定控制来提高可控性，并且可以通过利用随机设定时间任意地确定采样时间和占空比确定控制时间来降低电机所应用的系统的噪声、振动和粗糙度(harshness)。

本发明的方法和装置具有其它特点和优势，其将在包含在此的附图和以下详细描述中变得明显或进行更详细的说明，附图和详细描述一起用于解释本发明的某些原理。

附图说明

图1为根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统的电路图；

图2为更加详细地显示了在图1中示出的根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统的控制器的框图；

图3为显示了根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的方法的流程图；

图4为显示了应用于根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统和方法的脉冲宽度调制信号、采样时间以及控制周期的示意图。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在所附多个附图中，本发明的同样的或等同的部件以相同的附图标记标引。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的示例呈现在附图中并描述如下。尽管本发明将结合具体实施方案进行描述，但是可以理解本说明书并不旨在将本发明限制在这些具体实施方案中。另一方面，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等效形式以及其它实施方案。

在下文中，将参考附图对根据各种实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统进行更详细的描述。

图1为根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统的电路图。

参考图1，根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统可以包括电机11、逆变器13、电流传感器15、旋转角度传感器17以及控制器100。

电机11是接收从逆变器13供应的三相ac电力以产生扭矩的组件。可以采用本领域中已知的各种类型的电机作为电机11。

逆变器13是用于将储存在电力供应装置(例如，电池)19中的dc电力转换为用于驱动电机的ac电力的组件，并且可以包括多个开关元件s1至s6，所述开关元件具有开/关状态，所述状态由控制器100提供的脉冲宽度调制(pwm)信号控制。

电流传感器15检测从逆变器13供应给电机11的每相的驱动电流ias和ibs。电流传感器15通常是模拟设备，其连续地检测驱动电流ias和ibs，并且连续地输出电流检测信号，所述电流检测信号包括与检测的电流水平相关的信息。

与电流传感器15类似，旋转角度传感器17是检测电机的转子的位置(即，电机的转子的旋转角度)的组件，其可以连续地检测电机11的转子的角度，并且连续地输出旋转角度检测信号，所述旋转角检测信号包括与检测的转子的旋转角度相关的信息。

控制器100可以执行pwm控制，以用于适当地调节逆变器13的开关元件s1至s6的占空比周期(占空比)，从而将电机11的扭矩控制为期望值。对于这种控制，控制器100在特定的时间对由电流传感器15和旋转角度传感器17提供的检测信号进行采样，并且基于采样的值推导出与当前驱动的电机11相关的扭矩相关信息。随后，基于扭矩命令值(通过电机11获取的目标扭矩值，其从外部输入)和与当前驱动的电机11相关的扭矩相关信息(其基于采样的值推导出)之间的比较结果，控制器100控制逆变器13的开关元件s1至s6使得电机11可以输出对应于电机11的扭矩命令值的值。

在此，控制器100确定与pwm信号相关的用于控制逆变器13的控制时间。例如，控制器100在特定的时间点(其对应于pwm信号高于或低于预定值的部分)对从传感器15和传感器17输入的信号进行采样，利用采样结果，执行用于控制的预定的操作以确定脉冲宽度调制信号的占空比周期(占空比)，并且应用该占空比周期(占空比)。

在本发明的示例性实施方案中，控制器100在保持pwm信号的周期(频率)的同时，任意改变对应于pwm信号(该pwm信号高低状态重复)为高状态的部分的时间点。如上所述，对从传感器15和传感器17输入的信号进行采样并且利用采样结果执行用于控制的预定操作以确定pwm信号的占空比周期(占空比)的控制操作的执行与pwm信号为高状态或低状态的部分有关，因此执行该控制操作的时间是任意改变的。也就是说，控制器100可以在保持脉冲宽度调制信号的周期的同时，任意地改变pwm信号为高状态的部分出现的时间点，以通过任意时间改变采样时间和控制操作时间。

图2为更加详细地显示了在图1中示出的根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统的控制器的框图。

参考图2，控制器100可以包括随机数产生器110、采样单元130、电流命令产生器150、电流控制器170以及pwm信号产生器190。

如上所述的控制器100中，随机数产生器110可以随机地产生设定时间α，所述设定时间α用于任意地改变对应于pwm信号为高状态的部分的时间点。尽管随机数指的是具有随机值的数，但是在本发明的各种实施方案中，随机数可以是对应于时间点(该时间点对应于pwm信号为高状态的部分)的改变量的随机设定时间。

在本发明的说明书和权利要求书中，pwm信号为高或低状态的部分指的是pwm信号产生器190中产生的pwm信号打开/关闭开关元件的周期。

可以应用已知的随机数产生算法以在随机数产生器110中产生随机设定时间α。

需要基于与pwm信号和pwm信号的周期相关地执行的控制操作所需的时间，对在随机数产生器110中确定的随机设定时间α的长短进行限制。之后将对这种随机数限制进行详细的描述。

采样单元130在特定的时间对由电流传感器15和旋转角度传感器17提供的检测信号进行采样，并且基于在随机数产生器110中产生的随机设定时间来确定采样时间。在本发明的各种实施方案中，在pwm信号的周期(频率)固定为预定值的情况下，pwm信号为高状态的部分的时间位置通过随机设定时间α改变。相应地，采样单元130可以提前知道pwm信号的周期，从而可以利用随机设定时间α识别与pwm信号相关的采样时间设定。

自通过在采样单元130中执行采样而产生驱动电流检测值ias和ibs以及转子角度检测值θr时起，控制器100可以控制电机驱动电流。

电流命令产生器150基于从外部输入的扭矩命令te^*产生对应于该扭矩命令te^*的电流命令idq^*，并且电流控制器170利用驱动电流检测值ias和ibs以及转子角度检测值θr产生实际电流测量值(其可以与电流命令idq*进行比较)，将电流命令与实际电流测量值进行比较以获取二者之间的差异，然后产生电机的三相电压命令va^*、vb^*和vc^*，以用于利用pi控制或pdi控制来消除该差异。

pwm信号产生器190产生pwm信号，该pwm信号具有已调节的占空比使得对应于三相电压命令va^*、vb^*和vc^*的电压可以应用，并且给逆变器13的开关元件s1至s6提供pwm信号。在本发明的各种实施方案中，pwm信号产生器190可以接收随机设定时间α，并且通过随机设定时间α改变对应于占空比已调节的pwm信号为高状态的部分的时间点。

电流命令产生器150、电流控制器170以及pwm信号产生器190的详细操作是已知的，因此本领域技术人员可以容易地理解而不需要额外的描述。然而，本发明的各种实施方案的特征在于，pwm信号产生器190产生具有预定的周期(频率)和已调节的占空比周期的pwm信号，并且通过随机设定时间α利用常规的技术改变产生的pwm信号为高状态的部分。

根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的方法可以通过根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统(其如上所述进行配置)而实现。根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统的操作通过根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的方法(其将在下文进行描述)的描述将进一步被理解。

图3为显示了根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的方法的流程图，图4为显示了应用于根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的系统和方法的pwm信号、采样时间以及控制周期的示意图。

当电机11开始工作时，用户想要从电机11获取的扭矩命令te^*被输入控制器100，而控制器100可以产生用于输出扭矩命令te^*的pwm信号，并且将pwm信号提供给逆变器13以打开/关闭逆变器13的开关元件。提供给电机11以控制电机11和电机11的转子的旋转角度的驱动电流反馈回控制器100。基于扭矩命令te^*、通过对由电流传感器15和旋转角度传感器17检测的信号进行采样而产生的驱动电流检测值ias和ibs以及转子角度检测值θr，控制器100执行确定用于驱动逆变器13的开关元件的pwm信号的占空比的控制操作。

如图3所示，在根据本发明的示例性实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的方法中，在目前的基本的电机控制过程中，控制器100的随机数产生器110确定随机设定时间α，该设定时间α是用于改变(移动)对应于pwm信号为高状态的部分的时间点的随机数(s11)。考虑到用于由控制器100执行的占空比确定控制的时间限制和pwm信号的周期，需要对由随机数产生器110产生的随机数(即随机设定时间α)进行限制。

如上所述，在本发明的各种实施方案中，对应于pwm信号为高状态的部分的时间点通过随机设定时间α来改变。当随机设定时间α过长时，占空比确定控制可能会在先前的占空比确定控制结束以前开始，或者后面的占空比确定控制可能会在当前的占空比确定控制结束以前开始。

参考图4可以清楚地理解这一点。

在图4中，信号波形pwm-a、pwm-b和pwm-c表示每相的pwm信号的示例，由“角度信息采集”和“电流采样”所表示的区域中的箭头表示对旋转角度传感器17和电流传感器15的检测信号进行采样的时间点，而“控制s/w”表示通过控制器100执行占空比确定控制的周期，即利用采样的检测值和扭矩命令确定pwm信号的占空比所需的时间。

进一步地，图4中a、b、c、d和e表示没有应用随机设定时间α时，正常的采样时间，而b’和d’表示在本发明的各种实施方案中应用随机设定时间α，从而改变采样时间的情况。

在图4所示的示例中，pwm信号与采样时间相关，使得采样在pwm信号的上升沿之前和之后的时间点开始，所述时间点与pwm信号的上升沿分隔相同的时间间隔。采样时间可以是占空比确定控制执行的时间。在本示例中，一次采样时间可以在从前两次采样操作的开始时间起经过pwm信号的一个周期的时间开始。

如图4所示，当随机设定时间α确定为过长时，时间b’可能在时间a开始的占空比确定控制结束以前到达，或者，时间e可能在时间d’开始的占空比确定控制结束以前到达。

为了解决该问题，如图3所示，在步骤s12中，对由随机数产生器110产生的随机数(即随机设定时间α)进行限制。

在步骤s12中，可以应用以下表达式来限制随机设定时间α。

[表达式]

((pwm周期×0.5)–占空比确定控制的时间限制)≥α

也就是说，随机数产生器110通过利用表达式1限制随机设定时间α产生受限的随机设定时间α(s13)。

随后，采样单元130利用通过随机数产生器110得到的受限的随机设定时间α，通过对从电流传感器15和旋转角度传感器17输出的检测信号进行采样，产生电流检测值和旋转角度检测值(s14)。

其后，如上所述，电流命令产生器150基于从外部输入的扭矩命令te^*产生对应于该扭矩命令te^*的电流命令idq^*，并且电流控制器170利用驱动电流检测值ias和ibs以及转子角度检测值θr产生实际电流测量值(其可以与电流命令idq^*进行比较)，将电流命令与实际电流测量值进行比较以获取二者的差异，然后产生电机的三相电压命令va^*、vb^*和vc^*，以用于利用pi控制或pdi控制来消除该差异。进一步地，pwm信号产生器190产生pwm信号，该pwm信号具有已调节的占空比使得对应于三相电压命令va^*、vb^*和vc^*的电压可以应用，并且给逆变器13的开关元件s1至s6提供pwm信号。在本发明的各种实施方案中，pwm信号产生器190可以接收受限的随机设定时间α，并且通过随机设定时间α改变对应于占空比已调节的pwm信号为高状态的部分的时间点(s15)。

如图4所示，根据本发明的各种实施方案，当应用了在pwm信号的上升沿之前和之后的时间点(所述时间点与上升沿分隔相同的时间间隔)开始采样和占空比确定控制的技术时，pwm信号为高状态的部分可以向前移动或延时随机设定时间α。

在常规的电机控制中，对占空比确定进行控制，使得采样在pwm信号为高或低状态的部分的中央执行，从而当在pwm信号的一个周期(表示为开关周期)内执行两次采样和占空比确定控制时，采样和占空比确定控制在几乎恒定的时间间隔执行。这样的常规的电机控制方法可能会因为采样周期恒定而引起能量集中，因此可能会增大电机所应用的装置的噪声、振动和粗糙度(harshness)。

另一方面，根据本发明的各种实施方案的用于控制驱动电机的逆变器的方法可以利用随机设定时间，任意地确定采样时间和占空比确定控制时间，而不是确定恒定的采样时间和占空比确定时间，从而能够通过能量分散降低电机所应用的系统的噪声、振动和粗糙度。

也就是说，根据本发明的各种实施方案，可以通过在pwm信号的一个周期内执行两次采样和占空比确定控制来提高可控性，并且可以通过利用随机设定时间任意地确定采样时间和占空比确定控制时间来降低电机所应用的系统的噪声、振动和粗糙度。

为了所附权利要求的解释方便和准确定义，术语“上部”、“下部”、“内部”、“外部”、“上”、“下”、“上面”、“下面”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“背部”、“内侧”、“外侧”、“向内”、“向外”、“内部的”、“外部的”、“内”、“外”、“向前”和“向后”用于就示例性实施方案的特征的如图中所示的位置而言来描述这些特征。

为了说明和描述的目的，上文已经对本发明的具体的示例性实施方案进行了描述。示例性实施方案并不旨在详尽或将本发明限制在所公开的精确的方案中，并且显然，根据上述教导可以进行各种修改和变化。选择和描述的示例性实施方案是为了解释本发明的某些原理和其实际应用，以使本领域其他技术人员能够制造和使用本发明的各种示例性实施方案，及其各种替代方案和修改方案。目的是本发明的范围由所附权利要求及其等价形式所定义。