控制电驱动器内的功率逆变器的方法和系统的制作方法

专利名称：控制电驱动器内的功率逆变器的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及功率逆变器，并且更具体地涉及用于控制电驱动系 统内的功率逆变器的方法和系统。
背景技术：
近年来，技术上的发展以及款式品位方面的不断进步导致了汽车设 计的明显变化。其中 一种变化包括汽车内特别是可选燃料汽车例如混合 动力，电动和燃料电池汽车内的电子系统的复杂性。这样的可选燃料汽 车通常使用电机，可能与另一致动器相结合，以驱动车轮。
非连续的脉宽调制(DPWM)方法经常被用于控制三相电压源逆变器 的开关动作，该三相电压源逆变器被用于控制三相交流(AC)电机的相 电流。DPWM方法与连续PWM方法例如正弦或空间矢量调制相比的一个明 显优势是降低了逆变器的开关损耗，这有助于提高混合动力电动车的效 率，特别是在只使用电机时。DPWM方法与连续P額方法的不同点在于在 一个给定的开关周期内只使用一个零矢量。因此，三相逆变器内的每个 开关通常在一个电气周期的60°区间内都不会被开关。相对于逆变器输 出电压和负栽功率因数的60°箝位部分的位置决定了 DPWM方法的类型 和形成的PWM属性。
理想地，三相电压源逆变器的每个相脚内的开关对都以互补方式工 作以使得一个开关总是"打开，，而另一个开关总是"关闭"。但是，在 实践中，在电压源逆变器开关状态的每次转换期间通常都会插入消隐时 间或死区时间。死区时间是一段短时间间隔，在此期间两个开关都被置 为"关闭"。这防止了电压源逆变器相脚内的两个开关同时处于"打开" 状态，这有可能会短路电压源逆变器。
另外，门驱动电路可以具有能够被命令(例如由控制模块，处理器 等引导)向电压源逆变器内的开关施加最短"打开，，时长限制的限制部件或开关。最小脉宽和死区时间限制导致了能够由控制器(例如DP丽 调制器)控制的占空比的有限最小值(例如非零的)和最大值(例如非 一致的)。
这些由DPWM控制产生的非线性作用，死区时间和最小脉宽，在理 想逆变器输出电压上引起失真。由于DPWM控制与连续PWM方法相比提 供了降低的损耗，因此希望在使用DPWM控制方法的同时最小化由非线 性逆变器作用导致的失真。将失真最小化(可能会增加转矩波动)对于 能够在车辆仅通过电力驱动的模式下运行的混合动力车特别重要。近来 已经提出了多种补偿方法用于降低DPWM控制中的逆变器非线性的失真 影响。但是，尚未在单独的整体控制方法中使用上述多种补偿方法。
因此，希望提供一种使用了最适用于当前系统工作条件的DPWM补 偿方法的控制方法。而且，本发明的其他期望特征和性质将通过随后的 详细说明和所附权利要求，并结合附图和前述的技术领域与背景技术而 变得显而易见。

发明内容
在一个实施例中，提供了 一种用于控制汽车的电驱动系统内的功率 逆变器的方法。如果控制功率逆变器的信号的调制指数小于第一调制指 数值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正该信号。如果调制指数 至少等于第一调制指数值，那么就利用第二电压失真补偿方法来修正该 信号。
在另 一个实施例中，提供了 一种用于对控制具有最小脉宽和最大脉 宽的汽车的电驱动系统内的功率逆变器的信号进行修正的方法。如果信 号的调制指数小于第一调制指数值，那么就利用第一电压失真补偿方法 来修正该信号，而如果调制指数至少等于第一调制指数值，那么就利用 笫二电压失真补偿方法来修正该信号。
在第一电压失真补偿方法中，接收信号且信号的占空比(duty cycle)具有从最小可实现占空比到最大可实现占空比的范围。如果信 号的占空比处于最小和最大脉宽之外的输出电压失真范围内且小于第 一限幅值，那么就生成笫二信号。第二信号具有最小可实现占空比。如 果信号的占空比处于输出电压失真范围内且信号的某一占空比至少等 于笫一限幅值(first clipping value)或信号的占空比不大于第二限幅值，那么就生成第三信号。第三信号具有最小和最大脉宽中更接近信 号占空比的一种，且第二限幅值大于第一限幅值。如果信号的占空比处 于输出电压失真范围内且大于第二限幅值，那么就生成第四信号。第四 信号具有最大可实现占空比。将第二，第三和第四信号中的一个提供给 功率逆变器。
在第二电压失真补偿方法中，监测功率逆变器的输出电压矢量。功 率逆变器具有含多个相脚和一个零矢量的开关周期。输出电压矢量以功 率逆变器的开关周期为基础。当输出电压矢量处于失真区域内时，通过
将多个相脚(phase legs)中每一个的占空比用零矢量的占空比进行修正 而生成修正的开关周期。将具有修正开关周期的输出信号提供给功率逆 变器。
在进一步的实施例中，提供了一种汽车电驱动系统。该汽车电驱动 系统包括电机，连接至电机的功率逆变器，和连接至电机和逆变器的至 少一个处理器。至少一个处理器被设置成如果控制功率逆变器的信号 的调制指数小于第一调制指数值，那么就利用第一电压失真补偿方法来 修正该信号；而如果调制指数至少等于第一调制指数值，那么就利用第 二电压失真补偿方法来修正该信号。


下面将结合随后的附图对本发明进行介绍，其中相同的附图标记表 示相同的部件，并且
图l是根据本发明的一个实施例的示范性汽车的示意图； 图2是图1中汽车内的电压源逆变器系统的方块图； 图3是图1中汽车内的逆变器的示意图4是图2中所示电压源逆变器系统的调制指数和开关频率的对比 曲线图，示出了根据本发明的一个实施例的用于在第一，第二和第三补 偿方法之间切换的方法；
图5是示出了相位占空比和脉宽之间关系的波形图，有助于理解图 2中的电压源逆变器系统；
图6是根据本发明的 一 个示范性实施例的第 一 补偿方法的流程图7是根据本发明的另一个示范性实施例的笫一补偿方法的流程
9图8-10是具有失真区域的逆变器输出电压的图形，有助于进一步 理解图2中的电压源逆变器系统；
图11是多个失真跨度的曲线图，有助于进一步理解图2中的电压 源逆变器系统；
图12-15是相位占空比，有助于进一步理解图2中的电压源逆变器 系统；
图16是根据本发明的一个示范性实施例的第二补偿方法的流程图； 图17是一种输入调制波形，有助于进一步理解图2中的电压源逆 变器系统；
图18是一种输入调制波形，有助于进一步理解图2中的电压源逆 变器系统；和
图19是根据本发明的一个示范性实施例的第三补偿方法的流程图。
具体实施例方式
发明或本发明的应用及用途。而且，不应理解为受到在先前的技术领域， 背景技术，发明内容或以下的详细说明中提出的任何表述的或隐含的理 论的限制。
以下说明提到了部件或元件被"连接"或"联接"在一起。如本文 中所用，除非另有特别说明，否则"连接"就是指一个部件/元件被直 接连接至另 一个部件/元件(或者与其直接通信)，而不是必须要机械连 接。类似地，除非另有特别说明，否则"联接，，就是指一个部件/元件 被直接或间接地连接至另一个部件/元件(或者与其直接或间接地通 信)，而不是必须要机械连接。但是，应该理解尽管两个部件可以如下 所述在一个实施例中被"连接"，然而在可选实施例中类似部件也可以 被"联接"，反之亦然。因此，尽管本文中所示的示意图示出了设置部 件的示例，但是在实际的实施例中也可能会存在附加的中间部件，设备， 元件或零件。还应该理解图1-6仅仅是说明性的并且可能并不是按比例 绘制的。
图l到图19示出了一种用于控制汽车的电驱动系统内的功率逆变 器的方法和系统。如果控制功率逆变器的信号的调制指数小于第一调制 指数值，那么就将第一电压失真补偿方法应用至该信号。如果调制指数
10大于或等于第一调制指数值，那么就将第二电压失真补偿方法应用至该 信号。
图1根据本发明的一个实施例示出了车辆或"汽车"30。汽车30 包括底盘32，车体34，四个车轮36和电子控制系统38。车体34被设 置在底盘32上并基本上封装汽车30的其他部件。车体34和底盘32可 以共同构成主框架。每个车轮36都在车体34的对应角部附近被旋转连 接至底盘32。
汽车30可以是多种不同类型汽车中的任意一种，例如轿车，货车， 卡车，或运动型多用途车(SUV)，并且可以是两轮驱动(2WD)(例如后 轮驱动或前轮驱动)，四轮驱动(4WD)或全车轮驱动(AWD)。汽车30 还可以装入多种不同类型发动机(或致动器)中的任意一种或其组合， 例如汽油或柴油燃料的燃烧式发动机，"灵活燃料汽车"(FFV)的发动 机(也就是使用了汽油和酒精的混合物)，气体化合物(例如氢气和/或 天然气)燃料发动机或燃料电池能源，燃烧/电动混合动力发动机，和 电机等。
在图1所示的示范性实施例中，汽车30是混合动力车，并还包括 致动器装置40，电池(或其他电能存储器)42，功率逆变器(或逆变器) 44和水箱46。致动器装置40包括燃烧式发动机48和电机/发电机(或 电动机)50。电机50在一个实施例中是正弦绕组的交流(AC)电机(例 如永磁式或感应式)例如在机动车辆中普遍使用的(例如牵引驱动控制 系统等)。本领域普通技术人员应该理解，电机50包括其中的传输机构， 并且尽管未示出但是仍然包括定子装置(包括传导线圏)，转子装置(包 括铁磁芯)和冷却流体(也就是冷却液)。如公知的那样，电机50内的 定子装置和/或转子装置可包括多个(例如16个)电磁极。
还是参照图1,在一个实施例中，燃烧式发动机48和电机50被集 成以使两者都通过一根或多根驱动轴52被机械连接至至少部分车轮 36。水箱46在主框架的外部被连接至主框架并且尽管未详细示出，但 是仍包括多条从中穿过的包含冷却流体(也就是冷却液)例如水和/或 乙二醇(也就是"防冻剂")的并被连接至发动机48和逆变器44的冷 却通道。再次参照图1，在图示的实施例中，逆变器44接收并与电机 50分享冷却液。水箱46可以被类似地连接至逆变器44和/或电机50。
电子控制系统38可操作的与致动器装置40,电池42和逆变器44通信。尽管没有详细示出，但是电子控制系统38包括各种传感器和汽 车控制模块或电子控制单元(ECU)，例如逆变器控制模块和车辆控制器， 以及至少一个处理器和/或存储器，存储器包括在其中(或者在另一种 计算机可读介质中)存储的用于实现如下所述的过程和方法的指令。 参照图2，示出了根据本发明的示范性实施例的电压源逆变器系统 (或电驱动系统)54。电压源逆变器系统54包括控制器56，连接至控 制器56的输出端的逆变器44,连接至逆变器44的第一输出端的电机 50，和具有连接至逆变器44笫二输出端的输入端且具有连接至控制器 56输入端的输出端的调制器58。控制器56和调制器58可以与图1中 所示的电子控制系统38集成在一起。
图3更详细地示出了图1和图2中的逆变器44。逆变器44包括连 接至电机50的三相电路。更具体地，逆变器44包括具有连接至电压源 Vd(;(例如电池42 )的第一输入端和连接至电机50的输出端的开关网络。 尽管示出的是单个电压源，但是也可以使用分布式直流(DC)连接的两 个串联电源。
开关网络包括具有对应于每一相的反并联二极管(也就是和每个开 关反并联)的三对串联开关。每对串联开关都包括具有连接至电压源42 正电极的第一端子的第一开关(或晶体管)60， 62和64以及具有连接 至电压源42负电极的第二端子且具有连接至对应的第一开关60， 62和 64的第二端子的第一端子的第二开关66， 68和70。为了监测逆变器" 的开关周期和输出电压矢量，调制器58被连接至逆变器44的输出端。
在运行期间，仍然参照图1，通过用燃烧式发动机48和电机50以 交替方式和/或用燃烧式发动机48和电机50同时向车轮36提供动力来 使车辆30运行。为了给电机50供电，DC功率被从电池"送至逆变器 44，逆变器44在将功率送至电机50之前先将DC功率转化为AC功率。 本领域普通技术人员应该理解，DC功率到AC功率的转化基本上是在一 定的"开关频率"下，例如12千赫(kHz),通过操作(也就是重复地 开关)逆变器44内的晶体管实现的。
通常，控制器56生成用于控制逆变器开关动作的脉宽调制(PWM) 信号。在优选实施例中，控制器56优选地生成具有和逆变器44的每个 开关周期相关联的单个零矢量的非连续PWM (DPWM)信号。逆变器44 随后将PWM信号转化为用于操作电机50的调制电压波形。为了优化电机50的操作，调制器58监测由逆变器44生成的调制 电压波形并确定逆变器44的开关何时处在基于和逆变器44相关联的非 线性限制(例如最小脉宽和死区时间)的失真区域内操作。当逆变器44 是处在失真区域内操作时，调制器58通知控制器56传输修正的DPWM 信号以对失真区域进行补偿(例如通过改变开关循环的每一相脚的占空 比)。
DPWM控制方法由于死区时间和最小脉宽限制的逆变器非线性而在 施加的输出电压内引起失真。根据本发明的一个实施例，提供了一种对 DPWM控制施加各种补偿方法的方法，其允许将跨越整个系统工作范围的 失真量最小化。
特定DPWM控制周期的最小非零时段可以被定义为t"而特定DP西 控制周期的最大非连续时段可以被定义为Uax。本领域普通技术人员应 该理解，由t^和Ua,界定的物理时间间隔可以由所使用的硬件(逆变 器开关和门驱动器)以及用于实现所需DPWM方法的可用硬件的灵活性 来确定。例如，控制器的某些硬件实现可以在某些或全部情况下使该时 间间隔的限制性更大或更小。根据该物理时间间隔，对于占空比的非箝 位限制(non-clamped limits on duty cycle)可以被表示为
= —Z
1 (1)
1 (2)
其中ts表示DPWM控制周期的时间间隔。控制周期的倒数表示逆变 器开关频率或载波频率(fs)。数学上，载波频率可以被表示为
/=丄 (3)
《
而且，能够理解可以使用的可变栽波频率被限制为使得
f < f < / ( 4 )
/ a' — mm — / 'y 一 / ,s' — max
应该注意由于可变的栽波频率，在特定工作点处能够达到的最大和 最小非箝位占空比也会根据上述的公式1-4而随栽波频率改变。
PWM信号的调制指数确定了输出电压的基波分量的振幅。这经常根据能够由逆变器在下面介绍的六步操作中生成的最大基波输出电压确
定。调制指数随即被表示为
其中^是基波分量的指令振幅而L是电池42的最大输出电压。根据本发明的一个实施例，提供了一种控制方法，其基于电驱动系统的工作状态选择最优的DPWM补偿方法。特别地，适当补偿方法的选择可以至少部分地以电驱动系统内的当前调制指数为基础。在一个实施例中，该控制方法在三种补偿方法(也就是第一，第二和第三方法)之间进行选择。
这三种补偿方法可以被概括为"低调制(LowMod)指数补偿方法"，"中调制(MidMod)指数补偿方法"和"高调制(HighMod)指数补偿方法"。如所提供的通用标记所表明的那样，LowMod (或第一)补偿方法在调制指数相对较低的情况中使用，MidMod (或第二)补偿方法在调制指数中间范围的情况中使用，而HighMod (或第三)补偿方法在调制指数相对较高的情况中使用。下面详细介绍这三种补偿方法的实例。
图4是根据本发明一个实施例的控制方法在使用的每一种补偿方法中涉及的电驱动系统的调制指数和载波频率(fs)的曲线图。如图所示，曲线包括针对每种补偿方法的区域LowMod区域72， MidMod区域74和HighMod区域76。如图4所示，在系统将低调制指数(也就是处于LowMod区域72内)用于电机的时段期间4吏用LowMod补偿方法。在中调制指数(也就是处于MidMod区域74内)的时段期间，该方法4吏用MidMod补偿方法。在LowMod区域72和MidMod区域74之间的边界附近，该方法在两种对应的补偿方法之间选择^f吏用滞后带(hysteresis band) 78的期望补偿方法(或其他合成方法)。
在一个实施例中，LowMod区域72上的滞后带下界根据下式近似确
定
脱 =4c/ (6)
*"vWW。rf — max mm
而MidMod区域74和HighMod区域76之间的边界则根据下式近似确定
14乂iMi'tSWorf 一 max - ^^^" 2 maX
控制方法可以利用几种可能的方法以在补偿区域72， 74和76之间进行转换。在一个优选实施例中，如果载波频率处于其最大值(fuM)且控制器56确定通过公式7计算出的调制指数处于HighMod区域76内，那么系统就使用HighMod补偿方法。如果两个条件都满足，那么控制器56使用具有附加滞后带80的HighMod补偿方法(或其他合成方法)以使得如果被请求的调制指数减小则系统重新进入MidMod补偿方法。在控制器56确定通过公式7计算出的调制指数处于HighMod区域内，但是开关频率未处于其最大值的情况下，控制器56使用LowMod补偿方法。
在第二优选实施例中，控制器56独立于载波频率而使用HighMod补偿方法。在这样的实施例中也在MidMod区域74和HighMod区域76之间的边界附近提供附加滞后带80，且MidMod补偿滞后带的上界由公式7提供。
在第三优选实施例中，无论是否使用了附加补偿方法(也就是MidMod或HighMod补偿)，控制器56在所有调制指数下均使用LowMod补偿方法。在这样的实施例中，应该理解补偿限制(也就是d^和drain)与用于应用任何附加补偿方法的那些补偿限制相比限制性更小以使LowMod补偿方法不会干扰其他潜在补偿方法的操作。
由此，如果信号的调制指数小于第一调制指数值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正该信号。如果调制指数至少等于(也就是大于或等于)第一调制指数值，那么就利用第二电压失真补偿方法来修正该信号。
在一个实施例中，如果调制指数至少等于比第一调制指数值大的第二调制指数值且功率逆变器的开关频率处于最大值，那么就利用第三电压失真补偿方法来修正该信号。如果调制指数至少等于第二调制指数值且功率逆变器的开关频率未处于最大值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正该信号。在另一个实施例中，如果调制指数至少等于比第一调制指数值大的第二调制指数值，那么就利用第三电压失真补偿方法来l奮正该j言号。
LowMod补偿方法在一个实施例的LowMod补偿方法中，通过在失真区域内保持平均输出电压来降低失真的影响。为了保持较低输出电压失真范围内(例如在最小可实现占空比和最小脉宽之间)的平均输出电压，可以修正占空比以使得与最小脉宽相关联的输出电压在较低的一半输出电压失真范围期间被降低。类似地，为了保持较高输出电压失真范围内(例如在最大脉宽和最大可实现占空比之间)的平均输出电压，可以修正占空比以使得与最大脉宽相关联的输出电压在较高的一半输出电压失真范围期间净皮降低。
较高和较低的限幅值可以被用于指示何时修正占空比和占空比在何时处于输出电压失真范围内。例如，在一个实施例中，如果占空比小于较低限幅值，那么就将占空比修正为最小可实现占空比(离散的零)。如果占空比大于或等于较低限幅值，那么就将占空比修正为最小脉宽。如果占空比大于最大脉宽，那么就将占空比修正为最大脉宽。如果占空比大于较高限幅值，那么就将占空比修正为最大可实现占空比。
在另 一个实施例中，尽管限幅值可以被选择在各自失真范围之间的任意点处，还是将较低和较高的限幅值选择为各自失真范围(例如较低和较高的输出电压失真范围)的中点。例如，较低限幅值被选择为最小可实现占空比和最小脉宽之间的中点，而较高限幅值被选择为最大脉宽和最大可实现占空比之间的中点。如果占空比在失真范围之外，那么就不修正占空比以降低失真影响并将其保持在提供给逆变器44的信号中。
图5是相位占空比和脉宽之间关系的曲线图并有助于理解图2中所示的电压源逆变器系统54，特别是关于LowMod补偿方法。示出了理想占空比100和根据LowMod补偿方法的一个实施例进行修正的占空比102。最小和最大脉宽(d小，draai)界定了输出电压失真范围的边界。例如，输出电压失真范围低于最小脉宽(draln)和高于最大脉宽(draax)并分别由最小可实现占空比(例如离散的零)和最大可实现占空比(例如离散的一)限定。在本实施例中，较低的限幅值(de^。wer)是最小可实现占空比(离散的零(O))和最小脉宽(drain)之间的中点，而较高的限幅值(d￡lipUpper )是最大脉宽(draax )和最大可实现占空比(离散的一(1 ))
之间的中点。第二限幅值(例如d。，pper)大于第一限幅值(例如delipL。wer)。
最小和最大脉宽以防止开关电路短路为基础。
图6是根据LowMod补偿方法的一个示范性实施例的用于控制电压源逆变器的方法104的流程图。参照图2和图6,逆变器44具有输出电压失真范围。例如，在图6中，输出电压失真范围位于最小可实现占空比(例如离散的零)和最小脉宽(例如drain)之间，以及位于最大脉宽
(例如U和最大可实现占空比(例如离散的一)之间。方法104在步骤106处开始，并在步骤108处接收具有占空比的第一信号。例如，调制器58从控制器56接收P丽信号。占空比具有从最小可实现占空比
(例如离散的零)到最大可实现占空比(例如离散的一)的范围。
如步骤110所示，如果占空比位于输出电压失真范围内且小于第一限幅值(例如deliPL。wer)，那么就将占空比修正为最小可实现占空比(例如离散的零)。如步骤112所示，如果占空比位于输出电压失真范围内，占空比大于或等于第一限幅值，且占空比小于或等于(或不大于)第二限幅值，那么就将占空比修正为最小和最大脉宽中更接近的一种。在一个实施例中，如果占空比位于输出电压失真范围内且大于或等于第一限幅值，那么就将占空比修正为最小脉宽，而如果占空比位于输出电压失真范围内且小于或等于第二限幅值，那么就将占空比修正为最大脉宽。第一限幅值可以被选择在最小可实现占空比和最小脉宽之间的中点附近，而第二限幅值可以被选择在最大可实现占空比和最大脉宽之间的中点附近。
在步骤114，如果占空比位于输出电压失真范围内且大于第二限幅值，那么就将占空比修正为最大可实现占空比。第二信号(例如通过调制器58)被传输至逆变器44，如步骤116所示。第二信号包括占空比(例如基于先前步骤修正或未修正的占空比)。例如，如果占空比在输出电压失真范围之外，那么第一信号的占空比被保留在第二信号内。在一个实施例中，第一和第二信号是用于控制逆变器44的开关网络的DP額信号。方法104在步骤118结束。
逆变器44具有和输出电压失真范围相关联的第一平均输出电压(例如在最小可实现占空比和最小脉宽之间)。另外，逆变器44具有和输出电压失真范围相关联的第二平均输出电压(例如在最大脉宽和最大可实现占空比之间)。在本实施例中，如果占空比大于或等于最小可实现占空比且占空比小于最小脉宽，那么就保持第一平均输出电压。另外，如
果占空比大于最大脉宽且占空比小于或等于最大可实现占空比，那么就保持第二平均输出电压。图7是根据LowMod补偿方法的另一个示范性实施例的用于控制电 压源逆变器的方法120的流程图。参照图2和图7，方法120在步骤122 处开始，并在步骤124处接收(例如通过调制器58)具有占空比的第一 信号。占空比具有从最小可实现占空比(例如离散的零)到最大可实现 占空比(例如离散的一)的范围。如步骤126所示，如果占空比位于第 一失真范围内，那么就修正占空比以保持第一失真范围内的第一平均输 出电压。在一个实施例中，如果占空比位于第一失真范围内且小于第一 失真范围内的限幅值(例如delipL。wer)，那么就将占空比修正为最小可实 现占空比，而如果占空比位于第一失真范围内且大于或等于限幅值，那 么就将占空比修正为最小占空比。限幅值(例如delipL。wer)可以被选择在 最小可实现占空比和最小脉宽之间的中点附近。在另一个实施例中，如 果占空比大于或等于最小可实现占空比且占空比小于限幅值，那么就将 占空比修正为最小可实现占空比，而如果占空比大于或等于限幅值且占 空比小于最小脉宽，那么就将占空比修正为最小脉宽。
如步骤128所示，如果占空比位于第二失真范围内，那么就修正占 空比以保持第二失真范围内的第二平均输出电压。在一个实施例中，如 果占空比位于第二失真范围内且小于或等于第二失真范围内的限幅值 (例如delipUpper)，那么就将占空比修正为最大脉宽，而如果占空比位于 第二失真范围内且大于限幅值，那么就将占空比修正为最大可实现占空 比。在另一个实施例中，如果占空比大于最大脉宽且占空比小于限幅值， 那么就将占空比修正为最大脉宽，而如果占空比大于限幅值且占空比小 于或等于最大可实现占空比，那就将占空比修正为最大可实现占空比。
第二信号被送至逆变器44，如步骤130所示。第二信号包括占空比。 例如，如果占空比在第一失真范围之外并且在第二失真范围之外(例如 在drain和draax之间)，那么第 一信号的占空比被保留在第二信号内。
MidMod补偿方法
图8-图IO是具有失真区域的逆变器输出电压的图形，有助于理解 图2中所示的电压源逆变器系统54，特别是关于MidMod补偿方法。逆 变器输出电压用矢量V" V2， V3， V4， Vs和V6表示，对应于针对开关周 期的每个相(例如，三相中的每个相)的开关。每个相具有两个状态(例 如，对应于离散的一和零)。例如，参照图3和图8-图10, V,是对应于第一对开关60和66的离散的一状态以及第二和第三对开关62和68与 64和70中每一个的离散的零状态的电压矢量。V2是对应于第一和第二 对开关60和66与62和68中每一个的离散的一状态以及第三对开关64 和70的离散的零状态的电压矢量。V3是对应于第一和第三对开关60和 66与64和70中每一个的离散的零状态以及第二对开关62和68的离散 的一状态的电压矢量。V,是对应于第一对开关60和66的离散的零状态 以及第二和第三对开关62和68与64和70中每一个的离散的一状态的 电压矢量。V5是对应于第一和第二对开关60和66与62和68中每一个 的离散的零状态以及第三对开关64和70的离散的一状态的电压矢量。 V6是对应于第一和第三对开关60和66与64和70中每一个的离散的一 状态以及第二对开关62和68的离散的零状态的电压矢量。零矢量(例 如，在图形的中心处)或者对应于开关对60和66， 62和68，以及64 和70中每一对的离散的一状态，或者对应于开关对60和66， 62和68， 以及64和70中每一对的离散的零状态。
在图8中示出了与DPWM0的30度(30° )超前功率因数负栽相关 的失真区域200，在图9中示出了与DPWM1的单位功率因数负栽相关的 失真区域202，和在图10中示出了与DPWM2的30度(30° )滞后功率 因数负载相关的失真区域204。在所有工作条件下，开关网络易受最小
脉宽限制和死区时间限制的影响，这些限制是用失真区域表示的非线性 限制。因为最小脉宽和死区时间的逆变器限制是固定的时间值，所以如 图11中所示的失真区域的角宽度(6 )或跨度随着输出电压的调制深 度和开关网络的开关频率而变化。
开关60-70可以基于修改的广义DP西(GDPWM)方法被激活(例如 关闭)以根据功率因数或其它条件调节箝位部分(clamped segment )。 通常，GDP西方法对于混合动力车应用是优选的，因为与连续的PWM方 法相比能够降低逆变器损耗。由于易于调制零矢量，因此GDPWM能够被 设置用于任何工况。然而，采用GDPWM时，失真区域是从扇形过渡区以 角偏移量旋转，并因此使GDPWM的失真区域连续改变。通过对由调制器 58修正的来自控制器56的DPWM信号的输出脉冲的适当控制，这些非线 性的影响(由失真区域表示)得到补偿。采用GDPWM时，调制器58基 于其角度随着负荷功率因数变化的最大相电流来选择适当的零矢量。
图ll是多个失真跨度的曲线图，有助于进一步理解图2中所示的
19电压源逆变器系统54。失真跨度基于开关频率(例如，2kHz， 4kHz, 6kHz， 8kHz， 10kHz和12kHz)以及调制指数进行变化。因为失真跨度随开关 频率而变化，所以只根据指令电压矢量的空间位置(例如，在图8-20 中示出的空间矢量图内)切换零矢量可能并不实际，因为在使用GDPWM 时失真区域会连续改变。修改的GDPWM方法在输出电压矢量处于失真区 域内时通过直接按相位占空比指令运行而选择零矢量。
图12-15是相位占空比，有助于进一步理解图2中所示的电压源逆 变器系统54。图12示出了用于开关周期的相位占空比(da, db和dj。 相位占空比da在最小占空比(drain)和离散的零之间的失真区域中，而 相位占空比d。在离散的零处。相位占空比db在d^和最大占空比d,之 间。图13示出了在零矢量的占空比被加至图12中所示的开关周期的每 个相脚的占空比之后的相位占空比(da， db和dj。在图13中，相位占 空比4和dc现在是在d^和d目之间而db现在是在离散的一处。当输出 电压矢量在d^和离散的零0之间的失真区域内时，通过将零矢量的占 空比加至开关周期内每个相脚的占空比中，该失真区域即可通过电压源 逆变器系统54得到补偿。
图14示出了用于另一个开关周期的相位占空比(da， db和dc)。相 位占空比da在(Ux和离散的一之间的失真区域中，相位占空比d。在离散 的一处，而相位占空比db在d小和d咖之间。图15示出了从图14中所
示开关周期的每个相脚的占空比中减去零矢量的占空比之后的相位占 空比(da， db和de)。在图15中，相位占空比da和夂现在是在d^和draax 之间，而相位占空比db现在是在离散的零处。当输出电压矢量在d^和 离散的零之间的失真区域中时，通过从开关周期内每个相脚的占空比中 减去零矢量的占空比，该失真区域即可通过电压源逆变器系统54得到 补偿。
返回参照图2，在示范性实施例中，当输出电压矢量处于失真区域 内时，调制器58传送控制信号或调制信号到控制器56。通过用零矢量 的占空比来改变开关周期内每个相脚的占空比，该控制信号或调制信号 即可改变DPWM信号。例如，当开关周期的相脚小于d^ (并且不是离散 的零)时，调制器58将零矢量的占空比加至开关周期内的每个相脚上。 当开关周期的相脚大于draax (并且不是离散的一)时，调制器58从开关 周期内的每个相脚中减去零矢量的占空比。控制器56将修正的DPWM信号传输至逆变器44。
图16是根据本发明的示范性实施例用于控制电压源逆变器的方法 206的流程图。该方法在步骤208处开始。在步骤210处基于开关周期 和输出电压矢量给电机50提供电压。开关周期具有多个相脚并具有一 个零矢量。当输出电压矢量处于失真区域内时，用零矢量的占空比修正 多个相脚中每一个的占空比。在步骤212处，当开关周期第一相脚的占 空比小于指示失真区域的最小占空比时，将零矢量的占空比加至多个相 脚中的每一个。在步骤214处，当开关周期第二相脚的占空比大于指示 失真区域的最大占空比时，从多个相脚的每一个中减去零矢量的占空 比。方法206在步骤216处结束。
HighMod补偿方法
图17是一种输入调制波形，有助于解释图2中所示的电压源逆变 器系统54的操作。特别是关于HighMod补偿方法。为了说明的简化， 参照与提供给逆变器44的输入调制信号(例如PWM信号)的正半部分 波形相关联的占空比示出并介绍输入调制波形。对于输入调制信号的每 一个基波周期，输入调制波形也包括完全对称的负半部分波形。另外， 输入调制信号的正半部分波形对应于逆变器44的单个相脚。 一旦调制 指数(Mi)增加到某数值以上，此时指令占空比(d)大于最大占空比限 制(draaI)或小于最小占空比限制(drain),那么电压源逆变器的输入-输 出电压关系就会变为非线性。
图18是一种输出调制波形，有助于进一步解释图2中所示的电压 源逆变器系统54的操作。为了说明的简化，参照与提供给电压源逆变 器的修正调制信号(例如修正PWM信号)的正半部分波形相关联的占空 比示出并介绍输出调制波形。为了充分保持电压源逆变器基波分量的输 入-输出电压的线性特性，图17中所示的输入调制波形被限制到在输入 调制波形的笫一正半部分(例如在大约0。和大约90°之间)的第一和 第二相角(例如a,和ct2)之间的最大占空比限制(draax)。 一旦输入调 制波形的电相角达到第二相角(a2)，占空比即被限制为参考电势，例 如较高的干线电压。对于第二正半部分(例如在大约90°和大约180° 之间)，图17中所示的输入调制波形类似地在与输入调制波形的第一正 半部分的第一和第二相角(od， oc2)约90。对称的第二正半部分的第一和第二相角处被限制到dmax。该过程的结果就是图18中所示的输出调 制波形。另外，限制输入调制信号正半部分波形的笫一和第二半部分内 的占空比的这个过程在输入调制信号负半部分波形的第一和第二半部 分内重复进4亍。
在该补偿发生处(例如修正输入调制波形的占空比)的最小调制指 数(Mi_rain)优选地根据下式获得
d+ 0.5 f o )
'-匪 V^t
其中(L,以±0. 5为参照，如图17和图18所示，而系数k由下式 给出
对应于最大调制指数(Mi_raax)的过调制范围发生在
碼薩=/ /2V^ 0.907 ( 10 )
最小调制指数(Mi-rain)和最大调制指数(Mi—raax)对电压源逆变器输 入-输出电压关系可能的失真建立了补偿范围(例如Mi』iZMi〈Min )。
当调制指数(NO处于失真范围(例如Mi』in〈M八Mi，)内时，第一 相角(oc,)是调制指数(Mi)和最大脉宽的函数并可通过求解下式获得
t/臓二A^sin(a,)-)^-M,"in(a, -2;r/V^) ( H )
一旦第一相角(已知，那么第二相角(0C2)也是调制指数(Mi) 和最大脉宽的函数，可通过求解下式获得
ddip的值随第一和第二相角(a,, a2)变化并依次随指令调制指数 (Mi)和最大脉宽变化。在示范性实施例中，d。lip的值可以被预先确定 并存储(例如存储在查询表内)用于通过控制器56 (图2)访问以确定 正常提供给逆变器44 (图1)的占空比。将d。,ip的该预定值用于指令调 制指数(Mi)，即可通过控制器56修正传送给开关网络的实际脉冲。
1/;z"2[2;rcos(a,)-M,.A7Tsin(2a,)-2M, sin(2c^ +;r/3)]+
(12)
22当指令调制指数(Mi)大于最大调制指数(Mi』ax)时，d^p的值可以 被近似为
参照图2和图19，示出了一种根据示范性实施例的HighMod补偿方 法的控制用于逆变器44的调制信号的方法300。方法300在步骤302 处开始，且控制器56在步骤304处确定指令调制指数(Mi)是否大于最 小调制指数(Mi^)。如前所述，最小调制指数(M^n)指示对应于最大 占空比限制(draax)的失真范围。在指令调制指数(Mi)小于最小调制指 数(Mi_rain)的情况下，控制器56在步骤306处确定用于输入调制信号 的每一个相脚的占空比。例如，对于三相电压源逆变器，控制器56确 定用于三相中每一相的相脚的占空比。在步骤306处确定了占空比之后， 控制器56在步骤308处将输出占空比传送至逆变器44。
在指令调制指数(Mi)大于最小调制指数(Mi—rain)的情况下，控制 器56在步骤310处确定用于输入调制信号的每一个相脚的占空比。在 步骤310处确定了占空比之后，控制器56在步骤312处确定指令调制 指数(Mi)是否大于最大调制指数(Mi，)。在指令调制指数(Mi)小于 最大调制指数(Mi，)的情况下，控制器56在步骤314处当MiiZM,Mi， 时将占空比限制为具有第一组相角(od， oc2)的最大占空比限制draax。
在示范性实施例中，控制器56在占空比达到指示最大占空比限制 (d_)的第一相角(ct)时将输入调制信号箝位在第一电势，并在占 空比达到第二相角(oc2)时将信号箝位在第二电势。
根据前面的公式9和10，在示范性实施例中，对应于最大调制指数 (Mi—J的过调制范围发生在
风—鹏=W2V^* 0.907
控制器56在步骤316处当M々Mi-陋时将占空比限制为具有不同于第 一组相角的第二组相角(od， ct2)的最大占空比限制draai。例如，当 M々Mi』M时，控制器56在占空比达到指示最大占空比限制(draax)的第一 相角(oc,)时将输入调制信号箝位在第一电势，并在占空比达到第二相 角(a2)时将信号箝位在第二电势。
23在示范性实施例中，第二占空比限制d。,ip由下式确定:
在步骤316处将占空比限制在第二占空比限制之后，控制器56在 步骤314处传送与修正信号相关联的输出占空比。该方法在步骤318处 结束。
尽管参照DP西信号方法即一种对单位功率因数负载(例如DPWM1 ) 进行了开关损耗优化的方法示出并介绍了该方法的示范性实施例，但是 表示各种占空比的公式也可以被修正用于其他的DPWM信号方法。
尽管在前面的详细说明中已经给出了至少一个示范性实施例，但是 应该理解还存在大量的变形。还应该理解一个或多个示范性实施例仅仅 是示例，而不是为了以任何方式限制本发明的保护范围，应用性或结构。 而且，前面的详细说明将给本领域普通技术人员提供方便的参考图用于 实现一个或多个示范性实施例。应该理解可以对部件的功能和设置进行 各种改变而不会背离由所附的权利要求及其法律等同物所阐明的本发 明的保护范围。
权利要求
1、一种用于控制汽车的电驱动系统内的功率逆变器的方法，包括如果控制功率逆变器的信号的调制指数小于第一调制指数值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正所述信号；和如果所述调制指数至少等于第一调制指数值，那么就利用第二电压失真补偿方法来修正所述信号。
2、 如权利要求1的方法，还包括如果所述调制指数至少等于第二调制指数值且所述功率逆变器的 开关频率处于最大值，那么就利用第三电压失真补偿方法来修正所述信 号，其中第二调制指数值大于第一调制指数值；和如果所述调制指数至少等于第二调制指数值且所述功率逆变器的 所迷开关频率未处于最大值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正 所述信号。
3、 如权利要求1的方法，还包括如果所述调制指数至少等于第 二调制指数值，那么就利用第三电压失真补偿方法来修正所述信号，第 二调制指数值大于第一调制指数值。
4、 如权利要求3的方法，还包括如果所述调制指数至少等于第 一调制指数值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正所述信号。
5、 如权利要求2的方法，其中第一调制指数值至少部分地以所述 电驱动系统的控制周期的最小非零时段为基础而第二调制指数值至少 部分地以所迷电驱动系统的所述控制周期的最大非连续时段为基础。
6、 如权利要求5的方法，其中第一和第二调制指数值至少部分地 以所述功率逆变器的所述开关频率为基础。
7、 如权利要求6的方法，其中所述电驱动系统具有至少部分地以 所述电驱动系统的所述控制周期的所述最小非零时段和所述功率逆变 器的所述开关频率为基础的最小脉宽，至少部分地以所述电驱动系统的 所述控制周期的所述最大非连续时段和所述功率逆变器的所述开关频 率为基础的最大脉宽，和在所述最小和最大脉宽之外的输出电压失真范 围。
8、 如权利要求7的方法，其中所述信号是具有占空比的第一信号且笫一电压失真补偿方法包括接收笫一信号，第一信号的占空比具有从最小可实现占空比到最大 可实现占空比的范围；如果第一信号的所述占空比处于所述输出电压失真范围内且小于 第一限幅值，那么就生成笫二信号，第二信号具有所述最小可实现占空 比；如果第一信号的所述占空比处于所述输出电压失真范围内且第一 信号的某一占空比至少等于第一限幅值或第一信号的所述占空比不大 于第二限幅值，那么就生成第三信号，第三信号具有所述最小和最大脉 宽中更接近第一信号的所述占空比的一种，第二限幅值大于第一限幅 值；如果第一信号的所述占空比处于所述输出电压失真范围内且大于 第二限幅值，那么就生成第四信号，第四信号具有所述最大可实现占空 比；和将第二，第三和第四信号中的一个传送至所述功率逆变器。
9、 如权利要求8的方法，其中所述功率逆变器具有含多个相脚和 一个零矢量的开关周期且第二电压失真补偿方法包括监测所述功率逆变器的输出电压矢量，所述输出电压矢量以所述功 率逆变器的所述开关周期为基础；当所述输出电压矢量处于失真区域内时，通过将所述多个相脚中每 一个的占空比用所述零矢量的占空比进行修正而生成修正的开关周期； 和向所述功率逆变器提供信号，所述信号具有所述修正的开关周期。
10、 如权利要求9的方法，其中第三电压失真补偿方法包括 基于第一信号确定占空比限制；当所述调制指数大于最小调制指数值时将第一信号限定至所述占空比限制以生成输出信号；和将所述输出信号传送至所述功率逆变器。
11、 一种用于对控制汽车的电驱动系统内的功率逆变器的具有最小脉宽和最大脉宽的信号进行修正的方法，所述方法包括如果所述信号的调制指数小于第一调制指数值，那么就利用第一电 压失真补偿方法来修正所述信号；第一电压失真补偿方法包括接收所述信号，所述信号的占空比具有从最小可实现占空比到最大可实现占空比的范围；如果所述信号的所述占空比处于在所述最小和最大脉宽之外的 输出电压失真范围内且小于第一限幅值，那么就生成第二信号，第二信 号具有所述最小可实现占空比；如果所述信号的所述占空比处于所述输出电压失真范围内且所述信号的某一占空比至少等于第一限幅值或所述信号的所述占空比不 大于第二限幅值，那么就生成笫三信号，第三信号具有所述最小和最大 脉宽中更接近所述信号的所述占空比的一种，第二限幅值大于第一限幅 值；如果所述信号的所述占空比处于所述输出电压失真范围内且大于 第二限幅值，那么就生成第四信号，第四信号具有所述最大可实现占空 比；和将第二，第三和第四信号中的一个传送至所述功率逆变器；和 如果所述调制指数至少等于第一调制指数值，那么就利用第二电压 失真补偿方法来修正所述信号，第二电压失真补偿方法包括监测所述功率逆变器的输出电压矢量，所述功率逆变器具有含多 个相脚和一个零矢量的开关周期，所述输出电压矢量以所述功率逆变器的所述开关周期为基础；当所述输出电压矢量处于失真区域内时，通过将所述多个相脚中 每一个的占空比用所述零矢量的占空比进行修正而生成修正的开关周 期；和向所述功率逆变器提供输出信号，所述输出信号具有所述修正的 开关周期。
12、 如权利要求ll的方法，还包括如果所述调制指数至少等于第二调制指数值，第二调制指数值大于 第一调制指数值且所述功率逆变器的开关频率处于最大值，那么就利用 第三电压失真补偿方法来修正所述信号；和如果所述调制指数至少等于第二调制指数值且所述功率逆变器的 所述开关频率未处于最大值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正 所述信号。
13、 如权利要求12的方法，其中第三电压失真补偿方法包括基于所述信号确定占空比限制；当所述调制指数大于最小调制指数值时将所述信号限定至所述占 空比限制以生成输出信号；和将所述输出信号传送至所述功率逆变器。
14、 如权利要求13的方法，还包括如果所述调制指数至少等于 第一调制指数值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正所述信号。
15、 如权利要求14的方法，其中第一，第二，第三，第四以及输 出信号是非连续的脉宽调制(DPWM)信号。
16、 一种汽车电驱动系统，包括 电机；连接至所述电机的功率逆变器；和连接至所述电机和所述逆变器的至少一个处理器，所述至少一个处 理器被设置成如果控制所述功率逆变器的信号的调制指数小于第一调制指数 值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正所述信号；和如果所述调制指数至少等于第一调制指数值，那么就利用第二电 压失真补偿方法来修正所述信号。
17、 如权利要求16的汽车电驱动系统，其中所述至少一个处理器 被进一步设置成如果所述调制指数至少等于第二调制指数值，第二调制指数值大于 第一调制指数值且所述功率逆变器的开关频率处于最大值，那么就利用 第三电压失真补偿方法来修正所述信号；和如果所述调制指数至少等于第二调制指数值且所迷功率逆变器的 所述开关频率未处于最大值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正 所述信号。
18、 如权利要求16的汽车电驱动系统，其中所述至少一个处理器 被进一步设置成如果所述调制指数至少等于第二调制指数值，第二调 制指数值大于第一调制指数值，那么就利用第三电压失真补偿方法来修 正所述信号。
19、 如权利要求18的汽车电驱动系统，其中所述至少一个处理器 被进一步设置成如果所述调制指数至少等于第一调制指数值，那么就 利用第一电压失真补偿方法来修正所述信号。
20、如权利要求17的汽车电驱动系统，其中所述信号是具有占空比的第一信号且第一电压失真补偿方法包括 接收第一信号，第一信号的所述占空比具有从最小可实现占空比到最大可实现占空比的范围；如果第一信号的所述占空比处于所述输出电压失真范围内且小于第一限幅值，那么就生成第二信号，第二信号具有所迷最小可实现占空比；如果第一信号的所述占空比处于所述输出电压失真范围内且第一信号的某一占空比至少等于第一限幅值或第一信号的所述占空比不 大于第二限幅值，那么就生成第三信号，第三信号具有所述最小和最大脉宽中更接近第一信号的所述占空比的一种，第二限幅值大于第一限幅值；如果第一信号的所述占空比处于所述输出电压失真范围内且大 于第二限幅值，那么就生成第四信号，笫四信号具有所迷最大可实现占 空比；和将第二，第三和第四信号中的一个传送至所述功率逆变器； 所述功率逆变器具有含多个相脚和一个零矢量的开关周期且第二 电压失真补偿方法包括监测所述功率逆变器的输出电压矢量，所述输出电压矢量以所述 功率逆变器的所述开关周期为基础；当所述输出电压矢量处于失真区域内时，通过将所述多个相脚中 每一个的占空比用所述零矢量的占空比进行修正而生成修正的开关周 期；和向所述功率逆变器提供信号，所迷信号具有所迷修正的开关周期；和第三电压失真补偿方法包括 基于第一信号确定占空比限制；当所述调制指数大于最小调制指数值时将第一信号限定至所述 占空比限制以生成输出信号；和将所述输出信号传送至所述功率逆变器。
全文摘要
提供了用于汽车的控制电驱动系统内的功率逆变器的方法和系统。如果控制功率逆变器的信号的调制指数小于第一调制指数值，那么就利用第一电压失真补偿方法来修正该信号。如果调制指数至少等于第一调制指数值，那么就利用第二电压失真补偿方法来修正该信号。
文档编号H02M7/48GK101483396SQ20091000262
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月9日 优先权日2008年1月11日
发明者B·A·韦尔奇科, S·E·舒尔茨, S·希蒂 申请人:通用汽车环球科技运作公司