用于在电机的定子中产生电的旋转场的方法和用于实施该方法的器件的制作方法
【专利摘要】一种用于在电机的定子（10）内产生随旋转周期旋转的电的旋转场的方法，定子具有多个定子接头（U-Y），这些定子接头中的每一个在能被触发的逆变器（20）中都可以分别通过触发与定子接头（U-Y）连接的第一电流阀（UH-YH）与直流电压的第一电位（B+）连接以及通过触发与定子接头（U-Y）连接的第二电流阀（UL-YL）与直流电压的第二电位（B-）连接。规定的是，在旋转周期的至少一个局部时间间隔期间，要么与定子接头（U-Y）中的至少两个连接的第一电流阀（UH-YH）要么与定子接头（U-Y）中的至少两个连接的第二电流阀（UL-YL），分别被持久地触发，以及在至少一个局部时间间隔期间，与其余的定子接头（U-Y）连接的第一和第二电流阀（UH-YH、UL-YL）分别被多次交替地触发。
【专利说明】
用于在电机的定子中产生电的旋转场的方法和用于实施该方法的器件
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于在电机的定子中产生随旋转周期旋转的电的旋转场的方法和用于实施该方法的器件。
【背景技术】
[0002]电的旋转场驱动器是公知的。为了产生它们的电的旋转场或相应的电流，在此可以使用如同样公知的那样的不同的调制类型。在旋转场驱动器中流行使用脉宽调制(PWM)。在这种旋转场驱动器中的调节根据各当前的要求按不同方法进行。主要已知:正弦形电流调节的使用(正弦整流)、块状电流调节的使用(块状通电)、块状电压的使用(用块电压控制)以及带有叠加的零电压的正弦形的电压调节的使用。
[0003]原则上在有任意相位数的电机中可以使用之前所述的技术。实际上人们最为普遍使用有三个相的电机。但也存在有其它相位数的电机，例如有一个、两个、四个、五个、六个、七个或九个相的电机。
[0004]为了为所使用的逆变器(脉冲反相器)产生PWM运行所需的触发信号，按现有技术已知不同的技术，此外还有如接下来还将阐释的那样的所谓的基于矢量的方法和所谓的平顶触发(Flattop-Ansteuerung)。但公知的技术具有缺陷，因此本发明所要解决的技术问题是，说明一种用于在电机的定子中产生电的旋转场的更好的方法和用于实施该方法的器件。
【发明内容】
[0005]在这个背景下，本发明建议了带有独立权利要求的特征的一种用于在电机的定子中产生伴随旋转周期旋转的电的旋转场的方法和用于实施该方法的器件。本发明的设计方案分别是从属权利要求的和接下来的说明的内容。
[0006]发明优势
本发明建议了一种用于在电机的定子中产生伴随旋转周期旋转的电的旋转场的方法。定子如就此而言常见的那样具有多个定子接头，这些定子接头中的每一个在能触发的逆变器(脉冲反相器)中分别可以通过触发与定子接头联接的第一电流阀而与直流电压的第一电位连接以及可以通过触发与定子接头联接的第二电流阀而与直流电压的第二电位连接。
[0007]概念“旋转周期”在此指的是这样的时间间隔，在该时间间隔内电的旋转场完成一次完整的转动。旋转周期因此包含一个360°的电的角。所使用的电流阀可以以本身公知的方式被设计成例如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。
[0008]按照本发明现在规定，在旋转周期的至少一个局部时间间隔期间，要么与定子接头中的至少两个连接的第一电流阀要么与定子接头中的至少两个连接的第二电流阀分别被持久地触发，以及在该至少一个局部时间间隔期间，与其余的定子接头连接的第一和第二电流阀分别被多次交替地触发。
[0009]本发明原则上适用于有五个相的电机，但也可以使用在有多于五个相的电机中。本发明接下来以五相电机为重点加以阐释。在这种情况下，在旋转周期的至少一个局部时间间隔期间，要么与定子接头的正好两个连接的第一电流阀要么与这些定子接头连接的第二触发阀分别被持久地触发。
[0010]其余的电流阀的交替的触发分别在节拍定时的情况下进行，该节拍定时的周期持续时间在时间上对应旋转周期的一小部分。如下文所阐释的那样，技术人员以相宜的方式选取相应的节拍定时。这样的持续时间(在该持续时间期间，要么与定子接头中的至少两个连接的第一电流阀要么与定子接头中的至少两个连接的第二电流阀分别被持久地触发)亦即旋转周期的局部时间间隔的持续时间，对应所阐释的节拍定时的周期持续时间的多倍，因而被持久地触发的电流阀在多个节拍定时上保留在其触发状态中。
[0011]本发明通过所述的措施显著减少了在传统的基于矢量的方法中由于高频地触发所有的电流阀而出现的开关损失。在本发明的框架内也达到了相对本文开头所述的平顶(Flattop)方法的极大的优势，因为取代仅仅一个相接头的电流阀，至少两个相接头的电流阀在更长的时间间隔内(亦即旋转周期的上述各局部时间间隔)可以保持在其各自的触发状态中。但旋转周期在此可以被划分成多个相应的局部时间间隔，以便例如将负荷均匀地分配给参与的电流阀。这一点在下文中阐释。
[0012]在传统的基于矢量的触发中，人们先是观察到了可能的开关矢量，用这些矢量可以触发所使用的逆变器。若人们观察五相的逆变器，那么这个逆变器具有十个电流阀，例如M0SFET，它们以所阐释的方式被布置。设置用于将定子接头与直流电压的第一电位连接起来的以及设置用于将定子接头与第二电位连接起来的电流阀(在本申请的惯用语中“第一”和“第二”电流阀或所谓的“高压侧”和“低压侧”电流阀)在此必须始终被彼此相反地触发，以避免横向短路，这就是说，与定子接头连接的第一和第二电流阀从未被同时触发。因此五个电流阀的开关状态可以自由选择，所以得出了 25 = 32个可能的开关状态。每一个开关状态在此产生了电压矢量，该电压矢量通过在单个相上的电压的几何的相加产生。
[0013]这些开关状态中的两个(也称为00000和11111，这就是说，所有的定子接头或与直流电压的第一电位或与第二电位连接)导致了定子接头的短路以及因此产生了长度为零的电压矢量。
[0014]从剩余的开关状态中典型地观察那些有十个数值上最大的电压矢量的开关状态。这些电压矢量撑开了十边形。开关状态的细节和简称可以参考有关的专业文献。在这个十边形内的每一个任意的电压矢量可以通过两个相邻的电压矢量和零矢量的组合产生。可以例如通过以下方式达到提供特定的电压矢量，即，在长度Ts的开关周期或开关节拍内提供针对触发持续时间ta的开关状态11001和针对触发持续时间tb的开关状态11000。为剩余的时间Ts-ta-tb设定两个零矢量中的一个，也就是说，开关状态00000或11111中的一个。在长度Ts的开关周期期间开关的开关状态总共产生了一个脉冲模式，其按序包括相应的开关状态。脉冲模式可以包括以任意顺序的开关状态(例如中心对齐的或边缘对齐的PWM)。
[0015]所阐释的触发方法也被称为空间矢量脉宽调制(SVPffM)，更精确的说明例如在A.1qbal^PE.Levi的公开文南犬“Space Vector Modulat1n Schemes for a Five-PhaseVoltage Source Inverter”(EPE 2005,Dresden, ISBN 90-75815-08-5)中找到。
[0016]在用脉宽调制的触发中，所使用的逆变器的电流阀，例如M0SFET，以恒定不变的频率被节拍定时，该频率明显高于电的基波的频率，亦即被调制用于产生旋转场的电流走势的频率。在此，在每一次开关过程中在电流阀中出现了损失。为了将这种损失保持得很小，将节拍频率选择得尽可能小。但很低的节拍频率导致了所产生的相电流的以及因此所产生的力矩的增高的波动性，此外电的驱动器的噪音排放有所提高。
[0017]如接下来也在【附图说明】的框架内所阐释的那样，借助SVPffM产生了电压走势，其明显不同于传统的正弦PWM触发的正弦形的电压给定。但总体上产生了同一电压空间向量。与正弦PWM触发的重要区别在于，在每一个时间点上各两个相电压具有同一振幅。当SVPWM触发与同样由文献公知的平顶方法组合起来时，这种情况起到有利的作用。
[0018]如同样在【附图说明】中详细阐释的那样，平顶触发基于相应的脉冲模式的简化。如已经提到且在下文详细阐释的那样，相应的脉冲模式分别包含若干开关状态(在这些开关状态中，所有的第一(高压侧)的电流阀被闭合)以及若干开关状态(在这些开关状态中，所有的第二(低压侧)电流阀被闭合(00000或11111))。
[0019]但对提供分别被期望的电压矢量来说这些开关状态意义相同。因此开关状态00000在每一个脉冲模式中都可以被开关状态11111替代。相接头的电流阀可以以这种方式被持久地保持在一个开关状态中，因此对各相接头来说不再出现开关损失。因此在三相的电机中开关损失可以通过平顶触发减少三分之一，因为正好一个相受益于所阐释的优势。
[0020]另一方面在五相的电机的正弦pmi触发中，相接头的电流阀如已经公知的那样被持久地保持在一个开关状态中，因而开关损失在此被减少了五分之一。
[0021]本发明在所阐释的措施的框架中规定，将SVPffM方法和平顶触发结合起来。因为在五相的SVPWM触发时始终有两个相邻的相具有同一电压振幅，这一点在使用平顶方法之后导致了五个相中的两个相的电流阀在较长的时间内保持在它们各自的开关状态中。开关损失以这种方式减少了五分之二，减少幅度大于通过用正弦PWM方法和仅传统的平顶触发。
[0022]当在所述的节拍的框架内以一个触发频率交替地触发与剩余的定子接头连接的第一和第二电流阀，该节拍的周期最高是旋转周期的十分之一时，通常按本发明的方法就发挥出了优势。值通常至约10赫兹。一般不使用更小的频率，因为在此电流波动性增大以及噪音形成增强。此外，触发在此分别进行了预定的触发持续时间。剩余的电流阀因此以优选恒定不变的、大于电的基波的频率的频率被触发。触发持续时间按照分别有待被设定的电流矢量被校正。
[0023]如已经提到的那样，可能有利的是，不连续地触发仅第一或第二电流阀，以便分配其负荷。因此按本发明的方法的一个有利的设计方案规定，在旋转周期的第一局部时间间隔内，与至少两个定子接头连接的第一电流阀以及在旋转周期的第二局部时间间隔期间与至少两个定子接头连接的第二电流阀被持续地触发，且在第一和第二局部时间间隔期间与其余的定子接头连接的第一和第二电流阀分别被多次交替地触发。虽然以这种方式稍微缩短了将针对相接头的电流阀的触发保持成恒定不变的时间间隔；但开关损失明显变小，而不会过度给电流阀加载。
[0024]按本发明的方法有利地包括:将旋转周期划分成多个节拍以及借助调制方法为每一个节拍求出针对电流阀的彼此相继的触发模式，其中，针对旋转周期的至少一个局部时间间隔，相应地以所有第二电流阀都被触发的触发模式替代所有第一电流阀都被触发的触发模式，或者反过来。因而，所使用的调制方法例如SVPffM触发被补充以平顶触发。
[0025]按本发明的计算单元，例如电机的控制器，被作为用于实施所述方法的器件尤其在程序技术上被设置用于执行这种方法。
[0026]所述方法以软件形式的实施也是有利的，因为这一点尤其引起了很小的成本，特别是当执行的控制器还被用于其它的任务以及因此总归是存在的时。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是软盘、硬盘、闪存、EEPR0M、⑶-R0M、DVD等。同样地也能够通过计算机网络(互联网、内联网等)下载程序。
[0027]本发明的其它优点和设计方案从说明书以及所附的附图中得出。
[0028]当然，前面提到的以及接下来还要阐释的特征不仅能使用在相应说明的组合中，也能使用在其它的组合中或单独使用，而不脱离本发明的框架。
[0029]本发明借助实施例在附图中示意性地示出以及在下文中参考附图加以说明。
【附图说明】
[0030]图1以经简化的局部示意图示出了一种带有电机和逆变器的装置。
[0031]图2示出了用于阐释按本发明的一种实施形式的方法的基础的信号走势。
[0032]图3A至3D示出了用于阐释按本发明的一种实施形式的方法的基础的信号走势。
[0033]图4示出了用于阐释按本发明的一种实施形式的方法的基础的信号走势。
[0034]图5示出了用于阐释按本发明的一种实施形式的方法的基础的信号走势。
[0035]图6示出了用于阐释按本发明的一种实施形式的方法的基础的信号走势。
【具体实施方式】
[0036]在图1中在局部图中示意性示出了一种带有电机和能触发的逆变器的装置，例如该装置可以是本发明的一种实施形式的基础。
[0037]电机包括五相地以及以五角星形线路构造的定子10。电机的同样存在的转子和其它的细节并未示出。定子10的绕组11通过五个相接头U至Y分别经由同样被极为简化地示出的逆变器20的能接通和断开的、在此用UL至YL和UH至YH标注的可控的电流阀通电。
[0038]相接头U至Y可以在逆变器20中经由电流阀UL至YL和UH至YH选择性地与直流电压的第一电位B+或直流电压的第二电位B-，例如机动车车载电网的电池极连接。电流阀UH至YH在此被称为“第一”电流阀，它们被布置在上部的整流器分支H( “高压侧”)中。电流阀UL至YL在此被称为“第二”电流阀，它们被布置在第二整流器分支L( “低压侧”)中。电流阀UL至YL以及UH至YH在图中被简化地作为带有并联的二极管的晶体管示出。二极管在此象征着MOSFET的典型地存在的反向二极管。电流阀UH至YH以及UL至YL可以通过集中型或通过分散型控制装置(未示出)例如借助所说明的SVPffM方法被触发。
[0039]图2示出了额定电压Uu至Uy的走势，如它们在SVPffM触发时在各个相或相接头U至Y中产生的那样。在图2中，在横坐标上绘出了单位为弧度的有待产生的旋转场的角以及在纵坐标上示出了单位为百分比的电压振幅。尽管额定电压Uu至Uy的电压走势明显不同于传统的正弦PffM触发的正弦形电压给定，但它们总体上得出相同的电压空间向量。
[0040]从额定电压Uu至Uy的所示的电压走势中例如借助正弦三角调制产生了用于电流阀的触发信号。在此，例如70%的电压振幅意味着，在用于产生额定电压Uu至Uy这个时间点上或在瞬时的开关节拍中，所观察的相的相应的第一(高压侧)电流阀对70%的周期持续时间而言被接通以及相应的第二 (低压侧)电流阀对30%的周期持续时间而言被接通。
[0041]如所述那样，与正弦pmi触发的重要区别在于，在每一个时间点上，各两个相电压具有同一振幅。这种情况在SVPffM触发与同样提到的平顶(Flattop)方法结合起来时起到特别有利的作用。
[0042]用于正弦PWM触发的公知的平顶方法在图3A和3B中示出，按本发明的一个实施形式所建议的用于SVPWM触发的平顶方法在图3C和3D中示出。分别示出了在一个开关节拍内时间t期间每一个定子接头U至Y的电流阀的开关状态。在此，很高的信号电平说明，第一(高压侧)电流阀被接通以及第二 (低压侧)电流阀被断开，反之，在低的信号电平下，第一(高压侦D电流阀相应被断开以及第二 (低压侧)电流阀相应被接通。
[0043]如已经说明的那样，用于正弦Pmi触发(图3A)的脉冲模式在所示的开关节拍内包含这样的时间间隔，在这些时间间隔内，所有第一(高压侧)电流阀被同时接通(时间间隔301)，以及还包含这样的时间间隔，在这些时间间隔内，所有第二(低压侧)电流阀都被同时接通(时间间隔302和303)。
[0044]对提供期望的电压矢量来说，由此出现的(高压侧和低压侧)短路意义相同。因此在图3B中所示的平顶触发中，高压侧短路相应被低压侧短路替代，换句话说，图3A中的时间间隔302或303分别延长了图3A的时间间隔301的一半成为时间间隔304和305。所有高压侧触发时间间隔都缩短了在相W中最短的触发时间间隔的长度，低压侧触发时间间隔延长了同一数值。这样的结果在于，在相W中，低压侧开关被持久地接通，不再出现任何开关损失。
[0045]在三相的电机中开关损失可以如所述那样减少三分之一，因为始终有一个相被导通。在带有正弦HVM触发的五相电机中，同样始终有一个相被导通，因而开关损失减少了五分之一。
[0046]本发明现在规定，如所述那样将SVPffM方法和平顶触发结合起来，如在图3C和30的实施形式中所示那样。在此参考图2。
[0047]为了设定值，在图2所示的电压走势开始时，相U和V(参看电压Uu和Uv)分别被触发为85%，相W和X分别被触发为15%以及相Y被触发为15%ο相的“触发”在此指的是，第一(高压侦D电流阀被接通以及第二 (低压侧)电流阀被断开。图3C所示的脉冲模式对应这一点。这种脉冲模式在所示的开关节拍内也包括这样的时间间隔，在这些时间间隔内，所有第一(高压侦D电流阀同时被接通(时间间隔306);以及还包括这样的时间间隔，在这些时间间隔内，所有第二 (低压侧)电流阀同时被接通(时间间隔307和308)。
[0048]时间间隔306在此占了整个节拍持续时间的15%。若现在第一(高压侧)电流阀被接通的所有时间间隔缩短了如在图3D中所示那样的这种15%，那么针对相W和X产生了在整个节拍期间的连续的触发。时间间隔306至308(图3C)在此在其效果上和时间间隔309和310(图3D)意义相同。结果相U和V被触发为60%，相W和X为0%时以及相Y为35%。
[0049]因为在五相的SVPWM触发时，始终有两个相邻的相具有同一电压振幅，则这在平顶中导致五个相中始终有两个被导通，开关损失因此减少了五分之二。
[0050]图4以和图2同样的示出方式示出了用于带有平顶触发(电压走势UuFT)的和没有平顶触发(Uu)的相的SVP丽的触发模式。就此而论，为了确保在第一和第二 (高压侧和低压侦D开关阀之间的对称的损失分配，在此，所有的36°电地在高压侧平顶和低压侧平顶之间交替。[0051 ]图5在相应的图中示出了在平顶触发时所有五个相的电压走势UuFT至UyFT。可见的是，在每个时间点上，两个相被触发为0%(低压侧平顶)或为100%(高压侧平顶)。
[0052]图6例如示出了带有低压侧平顶的触发电压601以及两个相电流(602和603)作为基于时间的电压或电流走势。
[0053]在此也可以看到，电压仅在总持续时间的60%被节拍定时以及在总持续时间的40%被接到低压侧。
【主权项】
1.一种用于在电机的定子(10)内产生随旋转周期旋转的电的旋转场的方法，该定子具有多个定子接头(U-Y)，这些定子接头中的每一个在能被触发的逆变器(20)中分别通过与定子接头(U-Y)连接的第一电流阀(UH-YH)的触发与直流电压的第一电位(B+)连接以及通过与定子接头(U-Y)连接的第二电流阀(UL-YL)的触发与直流电压的第二电位(B-)连接，其特征在于，在旋转周期的至少一个局部时间间隔期间，要么与定子接头(U-Y)中的至少两个连接的第一电流阀(UH-YH)要么与定子接头(U-Y)中的至少两个连接的第二电流阀(UL-YL)，分别被持久地触发，并且在至少一个局部时间间隔期间，与其余的定子接头(U-Y)连接的第一电流阀和第二电流阀(UH-YH、UL-YL)分别被多次交替地触发。2.按权利要求1所述的方法，在该方法中，与其余的定子接头(U-Y)连接的第一和第二电流阀(UH-YH、UL-YL)的交替的触发以周期计为至少10 kHz的预定的触发频率并且分别以预定的触发持续时间进行。3.按前述权利要求任一项所述的方法，在该方法中，在旋转周期的第一局部时间间隔期间与定子接头(U-Y)中的至少两个连接的第一电流阀(UH-YH)和在旋转周期的至少第二局部时间间隔期间与定子接头(U-Y)中的至少两个连接的第二电流阀(UL-YL)被持续地触发，以及在该方法中，在第一和第二部分施加间隔期间与其余的定子接头(U-Y)连接的第一和第二电流阀(UH-YH、UL-YL)分别被多次交替地触发。4.按前述权利要求任一项所述的方法，该方法被用于在电机的定子(10)内产生随旋转周期旋转的电的旋转场，以及在该方法中，在旋转周期的至少一个局部时间间隔期间，要么与定子接头(U-Y)中的正好两个连接的第一电流阀(UH-YH)要么与这些定子接头(U-Y)连接的第二电流阀(UL-YL)，分别被持久地触发。5.按前述权利要求任一项所述的方法，该方法包括:将旋转周期划分成多个节拍；以及针对每一个节拍借助调制方法求取用于电流阀(UH-YH、UL-YL)的相继的触发模式，其中，针对旋转周期的至少一个局部时间间隔，所有的第一电流阀(UH-YH)都被触发的触发模式分别被所有的第二电流阀(UL-YL)都被触发的触发模式所取代，或者反过来。6.—种计算单元，其被设置用于执行按前述权利要求任一项所述的方法。7.—种计算机程序，该计算机程序把计算单元触发以用于:当该计算机程序在计算单元上被执行时，执行按权利要求1到5中任一项所述的方法。8.—种能够由机器读取的储存介质，在所述储存介质上储存有按照权利要求7所述的计算机程序。
【文档编号】H02P25/22GK105897101SQ201610085586
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月15日
【发明人】J.勒斯纳
【申请人】罗伯特·博世有限公司