变流器脉冲图案的切换边沿的随机移位的制作方法

1.本发明涉及用于控制变流器的方法和控制部。本发明还涉及马达系统。


背景技术：

2.在现代的电驱动系统中，声学和电磁学特性发挥着越来越重要的作用。因此，在由变流器供电的驱动器中必须始终遵循更严格的电磁兼容性和声学的要求。为了实现这一点，提出了一些有助于改善上述特性的措施。
3.例如，可以对马达的电磁设计进行优化而使得用更少的电流可以产生相同的力矩。通过适当地调整调制方法，可以减少典型地在多倍开关频率处最大的频谱成分。通过这种减少优化了声学和电磁学行为。线路引起的干扰可以通过硬件过滤器组件来减少。合适的壳体材料和壳体设计可以实现对干扰辐射的屏蔽或减少声学异常。通过积极影响谐波成分可以减少噪声。
4.为了控制变流器而使用到预先给定的调制方法。调制方法确定了脉冲图案，这些脉冲图案通过变流器中的半导体的转换来调设。该转换依赖于所限定的开关频率地产生了造成负面的声学和电磁特性的频谱分量。


技术实现要素：

5.本发明的任务是更好地满足马达系统的声学和电磁学要求。本发明的另外的任务是减少马达系统中的谐波或其能量。
6.该任务通过独立权利要求的主题来解决。本发明的另外的实施方式由从属权利要求和以下描述中得出。
7.本发明的一个方面涉及一种用于控制变流器的方法。变流器可以被实施成用于将例如来自直流中间回路的输入电压转换成输出电压、例如交流电压。例如，电池的电压可以被转换成用于驱动电马达的交流电压。此外有可能的是，将发电机(电马达可以作为发电机起作用)的交流电压转换成用于对电池充电的直流电压。为此，变流器可以具有一个或多个半桥，半桥分别包括多个半导体开关，如igbt。利用每个半桥可以将直流电压转换成交流电压并且反之亦然。该方法可以由变流器的控制部来自动执行，该控制部驱控半导体开关并根据脉冲图案打开和关闭。
8.根据本发明的一个实施方式，该方法包括：确定用于变流器的脉冲图案，其中，脉冲图案包含切换边沿，在切换边沿处，输出电压在两个水平之间转换；对脉冲图案的切换边沿进行移位，其中，在切换边沿移位时，在输出电压被转换的时间点添加随机值；并且将具有经移位的切换边沿的脉冲图案应用到变流器的开关元件上，以便产生输出电压。
9.可以是单相或多相的脉冲图案包括多个切换边沿，这些切换边沿分别说明了变流器的输出电压、例如相电压，从第一电压水平转换到第二电压水平时的时间点。脉冲图案可以借助调制方法产生，在调制方法中，切换边沿基于参考参量，如参考电压、参考电流和/或参考力矩来确定。可能的调制方法例如是脉冲宽度调制。变流器可以是只具有两个电压水
平的两点式变流器，或者也可以是具有两个以上电压水平的多电平变流器。
10.在产生脉冲图案后对脉冲图案的切换边沿或这些切换边沿的仅一部分进行随机移位。有可能的是，对所有的切换边沿都进行随机移位。也有可能的是，对仅其中一部分切换边沿进行随机移位。例如，仅一半的切换边沿。
11.在此，切换边沿可以在时间上向后移位或在时间上向前移位。初始的切换边沿和经移位的切换边沿的时间点之差值，即移位差，在此随机选择。例如，随机值可以用随机数发生器产生。随机值可以是负的或正的。
12.从具有经移位的切换边沿的脉冲图案可以产生用于变流器的半导体开关的切换信号，然后相应地对半导体开关进行切换，以便产生输出电压。在某些情况下，切换信号也可以被理解为脉冲图案，和/或可以在时间上对切换信号进行随机移位。
13.通过对切换边沿进行随意的随机移位，可以减少输出电压的突出的频谱成分和/或使其分布在整个频谱上。
14.总的来说，利用该方法可以通过对由变流器供电的电驱动系统的切换边沿进行随机移位来实现对声学和电磁学特性的改善。该方法可以容易地实现，并且当作为计算机程序实施时几乎不需要cpu资源。在没有大的财政和开发密集型耗费的情况下使用是有可能的。对例如在产生脉冲图案时的调节进行改变是没有必要或几乎没有必要的。
15.根据本发明的一个实施方式，随机值位于预先限定的区间内。随机值或移位差可以从上和/或下进行限制。谐波的减少通常直接依赖于切换边沿可以在其中随机移位的范围或区间。更大的区间，即更长的区间，可以导致更强烈的减少，但也可能会导致对调节的负面影响。
16.根据本发明的一个实施方式，预先限定的区间是相对零值对称的。换句话说，区间的下边缘值可以是上边缘值的负值。因此，切换边沿在两个方向上可以均等地移位。
17.然而也有可能的是，切换边沿只向后移位或只向前移位。区间的下边缘值或上边缘值可以是零值。
18.根据本发明的一个实施方式，在区间内产生的随机值是平均分布的。在该情况下，如果产生了多个随机值，则随机值落在区间内任意两点的概率是相等的。其他随机分布，如高斯分布，或区间内的特定的离散值也是可能的。利用所选择的随机分布，也可以将对谐波的分布调设到整个频谱中。
19.根据本发明的一个实施方式，在遵循脉冲图案的边界条件的情况下对切换边沿进行移位。这些边界条件可以包括在一个相中切换边沿的顺序、在多个相中切换边沿的顺序、切换边沿彼此间的最小和最大间距等。
20.当经移位的切换边沿离开满足边界条件的范围时，则要么可以将移位逆转，要么可以将切换边沿放置在使得它仍然恰好满足边界条件的时间点。
21.根据本发明的一个实施方式，变流器具有半桥，半桥具有上部开关和下部开关，针对这些开关分别产生脉冲图案。其中每个开关例如可以是具有反并联式二极管的igbt。这两种脉冲图案可以确定在何时接通上部开关并且关断下部开关，或者反之亦然。这两个脉冲图案可以相互颠倒。以该方式，从用于变流器相的一个切换边沿产生了用于开关的两个相反的切换边沿。
22.根据本发明的一个实施方式，借助死区时间偏移量使用于下部开关的脉冲图案的
切换边沿相对于上部开关的脉冲图案的所属的切换边沿进行移位，其中，可以将随机值添加到死区时间偏移量中。以例如大约1～2μs的死区时间偏移量可以防止将导致短路的两个开关同时打开。因此，切换边沿的移位也可以针对两个开关的脉冲图案来执行，并且尤其是通过改变死区时间偏移量来执行。应理解，针对随机值的区间应被选择为使得不低于针对死区时间偏移量的最小值。
23.根据本发明的一个实施方式，脉冲图案借助脉冲宽度调制来产生，例如借助空间矢量调制(sv pwm)来产生。
24.根据本发明的一个实施方式，变流器的输出电压包括多个相，为每个相分别产生相脉冲图案。来自相脉冲图案的不同相的切换边沿可以彼此无关地借助随机值移位。
25.本发明的另外的方面涉及一种用于变流器的控制部，该控制部被实施成用于执行本文所述的方法。控制部可以包括用于产生脉冲图案的调节器和用于移位切换边沿的移位组件。所有这些模块也可以是在控制部中实施的软件的软件模块。
26.本发明的另外的方面涉及一种马达系统，该马达系统包括变流器、这样的控制部和利用由变流器产生的输出电压来运行的电马达。马达系统例如可以是道路车辆的驱动器或驱动器的其中至少一部分。
27.应理解，上文和下文所述的方法的特征也可以是马达系统的特征，并且反之亦然。
28.本发明的另外的方面涉及一种计算机程序，当该计算机程序在处理器上实施时它执行了上文和下文所述的方法，以及涉及一种存储有这种计算机程序的计算机可读的介质。计算机可读的介质可以是硬盘、usb存储器、ram、rom、eprom或闪存。计算机可读的介质也可以是数据通信网络，如互联网，其能够实现对程序代码的下载。计算机可读的介质可以是临时性或非临时性的介质。上文和下文所述的方法的特征也可以是计算机程序的和/或计算机可读的介质的特征。
附图说明
29.在下文中参照附图对本发明的实施例进行详细描述。
30.图1示出根据本发明的一个实施方式的马达系统；
31.图2示出根据本发明的一个实施方式的马达系统的一部分；
32.图3示出流程图，其说明了根据本发明的一个实施方式的用于控制变流器的方法；
33.图4示出具有脉冲图案的图；
34.图5a和5b示出具有用脉冲图案产生的电压的频谱的图；
35.图6示出图5a和5b的频谱的差异的图。
36.附图中使用的附图标记及其含义以总结形式列在附图标记列表中。原则上，相同或相似的部分设有相同的附图标记。
具体实施方式
37.图1示出了包括电马达12、变流器14和控制部16的马达系统10。控制部16产生脉冲图案18，利用该脉冲图案来控制变流器14。在此基础上，变流器14产生三相输出电压22，将其输送给马达12并驱动该马达。马达系统10可以是诸如乘用车辆、载重车辆、公交车或摩托车的道路车辆的驱动器的一部分。控制部16可以具有处理器，该处理器实施下文将提到的
作为软件模块的组件。
38.位置或角度传感器24产生马达转子的位置信号26，该位置信号被输送给控制部16的dq转换器28和αβ转换器30。dq转换器28接收马达电流的电流信号32，并将该电流信号转变成dq系统中的电流信号34。从参考电流信号36中减去电流信号34，并将差输送给αβ转换器30，该αβ转换器在αβ系统中产生差信号38，该差信号被输送给调节器40。调节器40产生目标电压信号42，调制器44根据该目标电压信号产生脉冲图案46。移位组件48将脉冲图案46转化成具有经随机移位的切换边沿的脉冲图案18。
39.图2更详细地示出了马达系统10的一部分。移位组件48可以具有边沿移位器50，边沿移位器在用于变流器14一个相的脉冲图案46中对切换边沿进行随机地移位并因此产生经移位的脉冲图案18。替选或附加地，可以借助死区时间发生器52产生经移位的脉冲图案18。下面将再次详细描述这两者。
40.移位组件48还可以具有开关脉冲图案发生器51，其从脉冲图案18或直接从用于变流器14的一个相的脉冲图案46产生两个开关脉冲图案18a、18b，这些开关脉冲图案被输送给变流器14的半桥56的上部开关54a和下部开关54b。因此，死区时间发生器52在此在时间上对用于下部开关54b的脉冲图案18b的切换边沿进行移位，以便在经移位的开关脉冲图案18b
‘
周围向后产生死区时间。利用该死区时间应防止：两个开关54a、54b同时打开并使半桥56短路。在此，死区时间依赖于随机值，该随机值引起开关脉冲图案18b的切换边沿的随机移位。应理解，开关脉冲图案18b
‘
也可以认为是用于变流器14的具有经移位的切换边沿的脉冲图案。
41.具有两个串联的开关54a、54b的半桥56可以与中间回路联接，并从那里存在的直流电压58产生输出电压22的一个相。然后，输出电压22的形状与脉冲图案18基本相同。
42.图3示出了说明用于控制变流器14的方法的流程图。如已述，变流器14的输出电压22可以包括多个相。下面将对其中一个相来描述该方法，但是针对其中每个相都可以彼此无关地执行。
43.在步骤s10中，调制器44基于通过调节器40产生的参考电压确定用于变流器14的脉冲图案46。脉冲图案46例如可以借助脉冲宽度调制产生。
44.图4更详细地示出了这种脉冲图案46。脉冲图案46具有切换边沿60，对切换边沿进行编码，使得输出电压22应在两个水平0和1之间来回切换。出于清楚原因，只有其中一个切换边沿被标注附图标记。
45.在步骤s12中，脉冲图案46的切换边沿60通过边沿移位器移位到新的时间点。图4中还示出了具有经移位的切换边沿66的脉冲图案18。在此对切换边沿60进行移位，使得在应对输出电压22进行转换的初始的切换边沿60的时间点添加了随机值62。
46.随机值62位于预先限定的区间64内，该区间将移位限制在一定的时间段内。预先限定的区间64可以相对于零值对称，也就是说，随机值可以将时间点移到过去和未来的程度一样。
47.此外，在区间64中产生的随机值62可以是平均分布的。产生随机值62的随机数发生器可以被调设成使得区间64中的每个值的概率相同。
48.也可以考虑到的是，在遵循脉冲图案46的边界条件的情况下对切换边沿60进行移位。例如，切换边沿60只能在遵循与下一个切换边沿的预先限定的间距的情况下向未来进
行移位。
49.替选或附加地，也可以的是，借助由死区时间发生器实现的针对变流器14的开关54a、54b的死区时间偏移量来实现切换边沿的移位。在该情况下，图4中的线46相应于开关脉冲图案18b，该开关脉冲图案已经被移位了预先给定的、恒定的死区时间偏移量，而线18相应于开关脉冲图案18b
‘
。给如大约2μs的死区时间的偏移量附加地添加了随机值62，该随机值例如可以在-1μs与+1μs之间的区间内产生。因此确保了为1μs的最小死区时间。
50.最后，在步骤s14中，将具有经移位的切换边沿66的脉冲图案18(或开关脉冲图案18a、18b
‘
)应用到变流器14的开关元件54a、54b上，以便产生输出电压22。
51.图5a中示出了借助脉冲图案46产生的输出电压22的频谱，其中，没有对切换边沿60进行随机移位。由有规律的矩形的脉冲图案46在多倍周期频率处产生的谐波被作为频谱的峰值清晰可见。
52.类似地，图5b示出了借助脉冲图案18产生的输出电压22的频谱，其中，对切换边沿60进行随机移位。可以看出，峰值的能量减低了，而其他频率成分的能量却增高了。
53.图6示出了图5a和5b的频谱的差异图。在此可以清楚地看到，谐波的频谱成分的能量已经减低。由于谐波的能量的减少，使得马达系统10中发生共振的风险变得更小。马达系统10的电磁兼容性得到提升。此外，声学上问题也减少了。
54.对此补充指出，“包括”并不排除其他元件或步骤，“一个”也不排除有多个。还指出的是，参照上述实施例之一所描述的特征或步骤也可以与上述其他实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求书中的附图标记不应被视为限制。
55.附图标记列表
56.10
ꢀꢀꢀꢀ
马达系统
57.12
ꢀꢀꢀꢀ
电马达
58.14
ꢀꢀꢀꢀ
变流器
59.16
ꢀꢀꢀꢀ
控制部
60.18
ꢀꢀꢀꢀ
脉冲图案
61.18a
ꢀꢀꢀ
开关脉冲图案
62.18b
ꢀꢀꢀ
开关脉冲图案
63.18b
‘ꢀ
经移位的开关脉冲图案
64.22
ꢀꢀꢀꢀ
输出电压
65.24
ꢀꢀꢀꢀ
位置和/或角度传感器
66.26
ꢀꢀꢀꢀ
位置信号
67.28
ꢀꢀꢀꢀ
dq转换器
68.30
ꢀꢀꢀꢀ
αβ转换器
69.32
ꢀꢀꢀꢀ
电流信号
70.34
ꢀꢀꢀꢀ
转变后的电流信号
71.36
ꢀꢀꢀꢀ
参考电流信号
72.38
ꢀꢀꢀꢀ
差信号
73.40
ꢀꢀꢀꢀ
调节器
74.42
ꢀꢀꢀꢀ
目标电压信号
75.44
ꢀꢀꢀꢀ
调制器
76.46
ꢀꢀꢀꢀ
初始的脉冲图案
77.48
ꢀꢀꢀꢀ
移位组件
78.50
ꢀꢀꢀꢀ
边沿移位器
79.51
ꢀꢀꢀꢀ
开关脉冲图案发生器
80.52
ꢀꢀꢀꢀ
死区时间发生器
81.54a
ꢀꢀꢀ
上部开关
82.54b
ꢀꢀꢀ
下部开关
83.56
ꢀꢀꢀꢀ
半桥
84.58
ꢀꢀꢀꢀ
直流电压
85.60
ꢀꢀꢀꢀ
切换边沿
86.62
ꢀꢀꢀꢀ
随机值
87.64
ꢀꢀꢀꢀ
区间
88.66
ꢀꢀꢀꢀ
经移位的切换边沿