控制设备、逆变器、具有逆变器和电机的组件、用于操作逆变器的方法和计算机程序与流程

1.本发明涉及一种用于为电机馈电的逆变器的控制设备，其中该控制设备被配置为提供具有载波频率的脉宽调制开关信号，以驱动逆变器的开关元件。
2.本发明还涉及逆变器、具有逆变器和电机的组件、用于操作逆变器的方法和计算机程序。


背景技术：

3.电驱动车辆的日益增加的重要性使得用于此类应用领域的逆变器及其相关控制设备成为工业发展努力的焦点。提供具有恒定载波频率的脉宽调制开关信号以驱动逆变器的开关元件的类型的控制设备是已知的。
4.在这种切换操作的背景下产生脉冲输出电压，并且特别是在低扭矩的特定区域中，会导致电机的相电流的较高的总谐波失真(thd)。然而，结果是在电机中产生不希望的机械振动。


技术实现要素：

5.因此，本发明基于减少逆变器的操作中的谐波失真的目的。
6.该目的是通过在开头处提到的类型的控制设备根据本发明来实现的，该类型的控制设备被配置为根据描述由电机的转速和扭矩限定的操作点的操作点信息来确定载波频率，并且，随着转速的增加和扭矩的幅度下降，在操作区域内增加载波频率，该操作区域在转速区间内延伸，该转速区间具有不同于零的转速下限，以及位于功率限制(power-limiting)操作区域或弱磁(field-weakening)操作区域中的转速上限。
7.本发明基于这样的认识，即逆变器的输出电压的总谐波失真一方面取决于在增加时会导致总谐波失真下降的载波频率，并且另一方面取决于电机的操作点。在(第一)操作区域中，如果假设载波频率保持恒定，则取决于扭矩的幅度，仍然只出现低开关损耗，但是随着转速的升高和扭矩的幅度下降，会产生增加的总谐波失真。因此，载波频率有增加的空间，因为与在恒定载波频率下操作相比，可以接受更高的开关损耗，以减少或限制总谐波失真。因此有利地减少了总谐波失真并因此减少了不希望的机械振动。
8.针对本发明的目的，输出电压的总谐波失真典型地通过失真度量来描述，该失真度量是逆变器的输出电压的频率分量的加权组合。一般来说，这样的失真度量m
thd
可以用以下公式来表示：
[0009][0010]
这里，n
ac
描述了电机的电频率f
ac
与逆变器的输出电压u
x
的基频ff之间的比率，并
且αn是加权因子。作为时间t的函数的输出电压被描述为：
[0011][0012]
对于具有三个输出相的逆变器的特别实际的相关情况，x∈{rs，st，tr}将关于通常的相标识符r、s和t进行设置。
[0013]
作为失真量度m
thd
的可能的特殊情况(本发明不限于此)，加权的总谐波失真(wthd)将被视为其中频率分量根据它们的阶而被加权。在这种情况下，
[0014][0015]
并且，
[0016][0017]
在根据本发明的控制设备的情况下，优选地是转速下限位于基本转速操作区域中。
[0018]
利用根据本发明的控制设备，可以有利地规定，操作区域的第一边界从其转速对应于转速下限的第一操作点延伸到其转速大于转速下限、并且其扭矩的幅度大于第一操作点的扭矩幅度的第二操作点。可替代地或附加地，可以规定，操作区域的第二边界从其转速对应于转速上限的第一操作点延伸至其转速低于转速上限、并且其扭矩的幅度大于第一操作点的扭矩幅度的第二操作点。
[0019]
下面描述本发明的第一优选实施例，其中具体地可以规定，控制设备被配置为通过连续的脉宽调制、具体地是空间矢量调制来生成脉宽调制开关信号。
[0020]
在第一优选实施例中，可以规定，第一边界和第二边界的第二操作点相同、和/或位于功率限制操作区域或弱磁操作区域、和/或与在相应操作点的转速下的最大扭矩幅度分离。
[0021]
在第一优选实施例中还可以规定，控制设备被配置为在被限定为不与第一操作区域重叠的第二操作区域内随着转速升高、尤其是与扭矩无关地增加载波频率，第二操作区域包括在相应转速下其扭矩幅度大于在该转速下的第一操作区域中的最大扭矩幅度的操作点。已经确立，在其中载波频率值适宜地与第一操作区域的载波频率值稳定地相邻的第二操作区域中的扭矩对总谐波失真只有非常小的影响(如果有的话)。在这方面，第二操作区域的定义能够将总谐波失真的降低扩展到电机的较高负载的操作点，尤其是满负载操作。这里，在本发明的上下文中，满负载操作一般可以理解为包括对于相应转速具有最大扭
矩幅度的操作点的操作模式。
[0022]
因此，可以规定，第二操作区域完全位于功率限制操作区域或弱磁操作区域中，和/或延伸至满负载操作。
[0023]
下面描述本发明的第二优选实施例，其中具体地可以规定，控制设备被配置为通过不连续脉宽调制，具体地是广义的不连续脉宽调制(gdpwm)来生成脉宽调制开关信号。
[0024]
在第二优选实施例中，有利的是如果控制设备被配置为在被限定为不与第一操作区域重叠的第二操作区域内随着转速的下降和扭矩的下降而增加载波频率，第二操作区域包括在相应转速下其扭矩幅度大于在该转速下的第一操作区域中的最大扭矩幅度的操作点。
[0025]
可替代地或附加地，在第二优选实施例中的根据本发明的控制设备被配置为在被限定为不与第一操作区域重叠的第三操作区域内，随着转速升高和扭矩下降、或与扭矩无关地随着转速升高而增加载波频率，第三操作区域包括在相应转速下其扭矩幅度大于在该转速下的第一操作区域中的最大扭矩幅度的操作点。
[0026]
第三操作区域通常包括在相应转速下其扭矩幅度大于位于第二操作区域中的在该转速下的最大扭矩幅度的操作点。
[0027]
在第二优选实施例中，第一操作区域和/或第二操作区域和/或第三操作区域可以延伸至满负载操作，和/或从基本转速操作区域延伸至功率限制操作区域或弱磁操作区域中。
[0028]
在根据本发明的控制设备的一有利的改进中，还可以规定，其未被配置为确定低于预定或可预定的最小值的载波频率。以这种方式，避免了用于低转速值和低扭矩值的载波频率变得如此低以致于它们与电机的相应的相电流的频率的比率低于预定最小比率的可能性。被指定了最小值的操作点在某种程度上也可以被视为进一步的操作区域。
[0029]
为了能够以特别小的努力来实现根据本发明的控制设备，优选地配置为从特性图中选择载波频率，该特性图将载波频率值分配给转速值和扭矩值的对。例如，特征图可以通过查找表来实现。控制设备通常包括其中存储有特性图的存储单元。
[0030]
还可以规定，特性图描述了对和载波频率值的至少分段的线性分配。可替代地，特性图可能由离散对定义，并且控制设备被配置为通过具体地是被分配给离散对的载波频率值的线性插值来确定载波频率。
[0031]
作为使用特性图的替代方案，根据本发明的控制设备可以被配置为借助于分析计算规范来确定载波频率，可以根据操作点从该分析计算规范确定载波频率。
[0032]
例如，可以通过对逆变器和电机的特定配置的测量或模拟来确定特性图或计算规范。
[0033]
根据本发明的控制设备还可以被配置为在接收到更新的操作点信息时、和/或在预定或可预定的时间段已经过去之后、和/或在电机的电周期结束之后、和/或在相应开关信号的周期完成之后的每个情况下确定更新的载波频率。因此，载波频率可以在合适的时间点与瞬时操作点适配。
[0034]
此外，根据本发明的控制设备可能被配置为从在输入处接收的扭矩信息、和/或在输入处接收的转速信息、和/或根据在输入处接收的描述给电机馈电的相电流的电流信息来确定操作点信息，和/或在用于确定开关信号的控制的上下文中估计操作点信息。扭矩具
体地可以从电流信息中确定。
[0035]
本发明所基于的目的还通过一种逆变器来实现，该逆变器包括：互连的开关元件，以便根据控制开关元件的开关信号将在输入侧的电压转换为交流电，以用于操作电机；以及根据本发明的控制设备。
[0036]
逆变器还可以包括dc链路电容器，其具体地设计为单个电容器元件或并联和/或串联连接的多个电容器元件。
[0037]
逆变器还可以包括模数转换器，其被设计用于将模拟测量信号转换为电流信息和/或转速信息和/或扭矩信息。
[0038]
本发明所基于的目的还通过一种具有根据本发明的逆变器和可借助于该逆变器操作的电机的组件来实现。
[0039]
这里，优选的是载波频率的确定表示如下关系：
[0040][0041]
其中，
[0042][0043]
以及
[0044][0045]
其中
[0046]-f
pwm
(m，f
rot
)描述了要根据扭矩m和转速f
rot
确定的载波频率，
[0047]-m
thd
描述了逆变器的输出电压的总谐波失真的失真度量，
[0048]-f
pwm，min
描述了预定或可预定的最小载波频率，
[0049]-f
pwm，losses
(m，f
rot
)描述了将在最小载波频率下的逆变器的最大总损耗最小载波频率下的开关损耗和传导损耗pc考虑在内的，取决于于扭矩m和转速f
rot
的载波频率，
[0050]
描述了将在最小载波频率下的失真度量和取决于损耗的在载波频率下的最大失真度量max考虑在内的，取决于扭矩m和转速f
rot
的载波频率，以及
[0051]
描述了具体地通过对和f
pwm，min
的模拟和测量来确定的函数。
[0052]
如果将wthd用作失真度量，则以下适用：
[0053]
[0054]
本发明所基于的目的还可以通过一种用于操作逆变器来为电机供电的方法来实现，该方法包括由控制设备执行的以下步骤：根据操作点信息确定用于操作逆变器的脉宽调制开关信号的载波频率，该操作点信息描述了由电机的转速和扭矩定义的操作点，使得载波频率在操作区域内随着转速增加和扭矩幅度下降而增加，该操作区域在转速区间内延伸，转速区间具有不同于零的转速下限和位于功率限制操作区域或弱磁操作区域的转速上限；以及提供开关信号以用于逆变器的开关元件。
[0055]
本发明所基于的目的最终通过一种包括命令的计算机程序来实现，当该程序由计算机执行时，该命令使其执行由控制设备执行的根据本发明的方法的步骤。
[0056]
与根据本发明的控制设备、根据本发明的逆变器和根据本发明的组件有关的所有解释都可以以类似的方式应用于根据本发明的方法和根据本发明的计算机程序，因此也可以通过这些来实现上述优点。
附图说明
[0057]
本发明的其他优点和细节从下面描述的示例性实施例中并且基于附图得出。这些是示意图示，其中：
[0058]
图1示出了具有根据本发明的逆变器的示例性实施例和根据本发明的控制设备的示例性实施例的根据本发明的组件的示例性实施例的框图。
[0059]
图2示出了其上绘制了与图1所示组件的操作相关的操作区域的扭矩-转速图；
[0060]
图3示出了其上绘制了根据现有技术的组件的wthd的扭矩-转速图；
[0061]
图4示出了其上绘制了现有技术的组件的逆变器的总损耗的扭矩-转速图；
[0062]
图5示出了其上绘制了在操作根据本发明的组件的另一示例性实施例时的载波频率值的扭矩-转速图；
[0063]
图6示出了其上绘制了另一示例性实施例的wthd的扭矩-转速图。
[0064]
图7示出了其上绘制了另一示例性实施例的逆变器的总逆变器损耗的扭矩-转速图；
[0065]
图8示出了其上绘制了与图1所示组件的另一示例性实施例的操作相关的操作区域的扭矩-转速图；
[0066]
图9示出了其上绘制了根据现有技术的另一组件的wthd的扭矩-转速图；
[0067]
图10示出了其上绘制了根据现有技术的另一组件的总逆变器损耗的扭矩-转速图；
[0068]
图11示出了其上绘制了在操作根据本发明的组件的另一示例性实施例时的载波频率值的扭矩-转速图，；
[0069]
图12示出了其上绘制了另一示例性实施例的wthd的扭矩-转速图；以及
[0070]
图13示出了其上绘制了另一示例性实施例的逆变器的总逆变器损耗的扭矩-转速图。
具体实施方式
[0071]
图1是组件1的示例性实施例的框图，包括逆变器2和电机3的示例性实施例，该电机被配置为驱动可以部分或完全电驱动的车辆。组件1还包括dc电压源4，其在当前情况下
被设计为高压电池。
[0072]
逆变器2包括在当前情况下被设计为emc滤波器的滤波器设备5、dc链路电容器6、功率单元7、控制设备8的示例性实施例、第一测量设备9、第二测量设备10和模数转换器设备11。
[0073]
功率单元7包括多个开关元件12，其被设计为半导体开关元件，例如igbt或功率mosfet。开关元件12成对连接以形成半桥。驱动器14连接在相应开关元件12的控制输入端13之前。为了清楚起见，这里仅给出了一个开关元件12和一个驱动器14的附图标记。驱动器14从控制设备8接收脉宽调制开关信号15，提供该信号以使得用于给电机3馈电的电压在半桥的相应抽头处是可用的。因此，功率单元7根据开关信号15将由dc链路电容器6平滑的dc链路电压转换为在这种情况下具有三相的电压。
[0074]
第一测量设备9被配置为获取相电流，并将测量信号提供给模数转换器设备11，该模数转换器设备11将第一测量设备9的模拟测量信号转换成数字电流信息16。第二测量设备10相应地被配置为获取电机3的转速，并将测量信号提供给模数转换器设备11，该模数转换器设备11将第二测量设备10的模拟测量信号转换成数字转速信息17。控制设备8在其输入处接收电流信息16和转速信息17。
[0075]
基于电流信息16和转速信息17，控制设备8确定描述由电机3的转速和扭矩限定的操作点的操作点信息。控制设备8被配置为确定脉宽调制开关信号15的载波频率。为此目的，控制设备8包括存储单元18，其中存储有将载波频率值分配给转速值和扭矩值的对的特性图。
[0076]
控制设备8基于操作点信息从特性图中选择对应的载波频率值。
[0077]
图2是其上绘制了在操作图1所示组件时的操作区域的扭矩-转速图，其中扭矩用m指示，并且转速用f
rot
指示。在本示例性实施例中，开关信号15已经通过连续空间矢量调制(svm)被确定。
[0078]
该图图示了描述对和载波频率值之间的关联的特性图。首先在图2中示出了拐角操作点19，其描述了从基本转速操作区域20转移到功率限制操作区域21或弱磁操作区域时的最大扭矩幅度。载波频率值的选定的等值线由点划线示出。
[0079]
第一操作区域22在具有不同于零的转速下限23和位于功率限制操作区域21或弱磁操作区域中的转速上限24的转速区间内延伸。第一操作区域22的第一边界25从转速对应于转速下限23的位于基本转速操作区域中的第一操作点26延伸至第二操作点27，第二操作点27的转速大于转速下限23，并且其扭矩的幅度大于第一操作点26的扭矩的幅度。第二操作点27位于功率限制操作区域21或弱磁操作区域，并且在第二操作点27的转速下与最大扭矩幅度间隔开。
[0080]
第一操作区域22的第二边界28从其转速对应于转速上限的第一操作点29延伸至与第一边界25的第二操作点27等同的第二操作点。
[0081]
控制设备8被配置为在第一操作区域22内随着转速升高和扭矩幅度下降而增大载波频率。这在此处和下方用箭头表示。
[0082]
被限定为不与第一操作区域22重叠的第二操作区域30包括操作点，其在相应转速下的扭矩的幅度大于位于第一操作区域中的在该转速下的最大扭矩幅度。第二操作区域30完全位于功率限制操作区域21或弱磁操作区域中，并且一直延伸到由特性图中的线描述的
满负载操作30a，在该处，对于相应的转速存在可能的最大扭矩幅度。控制设备8被配置为在第二操作区域30内随着转速升高、与扭矩无关地增加载波频率。
[0083]
最后，控制设备8被配置为不确定低于预定最小值的载波频率。在这方面绘制了另一个操作区域31，其中规定了最小值。该另一操作区域31包括在第一边界25的较低转速侧和第二操作区域30的边界28a上的操作点。
[0084]
总之，用于操作区域22、30、31的特性图形成如下关系：
[0085][0086]
其中，
[0087][0088]
并且
[0089][0090]
其中，
[0091]-f
pwm
(m，f
rot
)描述了要根据扭矩m和转速f
rot
确定的载波频率，
[0092]-wthd描述了作为逆变器2的输出电压的总谐波失真的示例性失真度量的加权总谐波失真，
[0093]-f
pwm，min
描述了最小载波频率，
[0094]-f
pwm，losses
(m，f
rot
)描述了将在最小载波频率下的逆变器的最大总损耗最小载波频率下的开关损耗和传导损耗pc考虑在内的，取决于于扭矩m和转速f
rot
的载波频率，以及
[0095]-f
pwm，wthd
(m，f
rot
)描述了将在最小载波频率下的加权总失真和取决于损耗的在载波频率下的最大加权总失真max考虑在内的，取决于扭矩m和转速f
rot
的载波频率。
[0096]
控制设备8被配置为定期更新载波频率。这例如在接收到更新的操作点信息时、在预定或可预定的时间段已经过去之后、在电机3的电周期完成之后、或者在相应开关信号15的周期完成之后进行。上面提到的更新事件的组合也是可能的。
[0097]
图3和图4涉及其中使用了svm的根据现有技术的对应于图1的组件。然而，对于该组件，规定对于扭矩-转速图的所有操作点，载波频率均被指定为恒定的10khz。
[0098]
图3是其上绘制了用于根据现有技术的组件的wthd的扭矩-转速图。wthd在图3中通过等值线示出，在该等值线上以百分比给出wthd的值。可以看出，wthd基本上随着转速的增加而升高，并且在低幅度的扭矩下尤为突出。wthd的较高值在此会导致电机3中出现不希望的振动。
[0099]
图4是其上绘制了根据现有技术的组件的逆变器的总损耗的扭矩-转速图。总损耗在图4中通过等值线示出，在该等值线上以kw给出总损耗的值。粗略估计，在10khz的恒定载波频率下的总损耗随着扭矩幅度的升高而升高，并且几乎与转速无关。
[0100]
图5、图6和图7涉及对应于上述图1和图2的示例性实施例的组件1的另一示例性实施例。此处示出了组件1的具体设计，其特性图延伸至高达12 000min-1
的转速，并涵盖大约-250至250nm之间的扭矩。载波频率的确定取决于操作点。开关信号15借助于svm来确定。
[0101]
图5是其上绘制了在另一示例性实施例的操作期间的载波频率值的扭矩-转速图。此处已通过实验或模拟确定了特性图。指示了操作区域22、30、31和拐角操作点19。
[0102]
图6是其上绘制了wthd的扭矩-转速图，其中该图示对应于图3。从图6和图3之间的比较可以看出，通过根据操作点确定载波频率，实现了1.3％的最大wthd值，这明显低于利用根据现有技术的恒定载波频率规范时大于3.0％的最大wthd值。
[0103]
图7是其上绘制了逆变器2的总损耗的扭矩-转速图，其中该图示对应于图4。从图7和图4之间的比较可以看出，在具有恒定载波频率规范的情况下出现高wthd值的那些区域中的总损耗比现有技术中的总损耗略有增加。然而，最大总损耗是特别值得注意的，因为开关元件12的热耐久性必须特别针对于此。有利地，这些实际上没有改变。因此，取决于操作点的载波频率规范使得能够在电机3的宽的操作区域上显著降低总谐波失真，而不会因此增加最大总损耗。
[0104]
图8是其上绘制了与图1所示的组件1的另一示例性实施例的操作相关的操作区域的扭矩-转速图。在本示例性实施例中，开关信号15通过广义不连续脉宽调制(gdpwm)来确定，即使用不连续调制方法来确定。
[0105]
图8中再次示出了第一操作区域22，其中载波频率随着转速升高和扭矩幅度下降而增加，并且其在位于功率限制操作区域21或弱磁操作区域中的转速下限23和转速上限24之间延伸。第一操作区域22的第一边界25从转速对应于转速下限23的位于基本转速操作区域20中的第一操作点26延伸至第二操作点27，第二操作点27的转速大于转速下限23，并且其扭矩幅度大于第一操作点26的扭矩幅度。然而，第二操作点27也位于基本转速操作区域20并且第一边界27延伸到全负载操作区域30a中。
[0106]
第一操作区域22的第二边界28从转速对应于转速上限24的第一操作点29延伸至第二操作点32，然而，第二操作点32位于基本转速操作区域20中和满负载操作区域30a，并且具有比第一边界25的第二操作点27更高的转速。
[0107]
图8还示出了特性图的第二操作区域33，其被定义为不与第一操作区域22重叠，包括在相应转速下的扭矩幅度大于位于第一操作区域22中的在该转速下的最大扭矩幅度的操作点。第二操作区域33紧邻第一操作区域22。第二操作区域33的一个边界34从位于功率限制操作区域21或弱磁操作区域内的转速上限35延伸至基本转速操作区域20中的满负载操作区域30a。控制设备8被配置为在第二操作区域33内随着转速下降和扭矩下降而增加载波频率。
[0108]
第三操作区域36也在特性图中被定义，并且其包括在相应转速下的扭矩幅度大于位于操作区域22、33中的在该转速下的最大扭矩幅度的操作点。第三操作区域36位于基本转速操作区域20和功率限制操作区域21或弱磁操作区域中的第二操作区域33的边界34之外。控制设备8被配置为在第三操作区域36内随着转速升高和扭矩下降而增加载波频率，或
者可替代地随着转速升高、与扭矩无关地增加载波频率。
[0109]
在其他方面，该示例性实施例对应于第一示例性实施例，如参考图1和图2所解释的。
[0110]
图9和图10涉及根据现有技术的对应于图1的组件。然而，对于该组件，规定对于扭矩-转速图的所有操作点，载波频率被指定为恒定的15.9khz，并且使用gdpwm。
[0111]
图9是其上绘制了根据现有技术的组件的wthd的扭矩-转速图。wthd在图9中通过等值线示出，在该等值线上以百分比给出wthd的值。可以看出，由于调制类型不同，wthd的分布与根据图3使用svm时不同。作为近似，这里可以确定对于较小的扭矩值，wthd倾向采用较高的值。然而，wthd的全局最大值存在于功率限制操作区域或弱磁操作区域中的0nm扭矩处。
[0112]
图10是其上绘制了根据现有技术的组件的逆变器的总损耗的扭矩-转速图。总损耗在图10中通过等值线示出，在该等值线上以kw给出总损耗的值。总损耗的分布大致对应于根据图4的利用svm的分布。
[0113]
图11、图12和图13涉及对应于上述图1和图8的示例性实施例的组件1的另一示例性实施例。这里再次示出了组件1的具体设计，其特性图扩展至高达12 000min-1
的转速，并涵盖大约-250和250nm之间的扭矩。载波频率的确定取决于操作点。开关信号15借助于gdpwm来确定。
[0114]
图11是其上绘制了在另一示例性实施例的操作期间的载波频率值的扭矩-转速图。这里已通过实验或模拟确定了特性图。指示了操作区域22、31、33、36和拐角操作点19。
[0115]
图12是其上绘制了wthd的扭矩-转速图，其中该图示对应于图9。从图12和图9之间的对比可以看出，通过根据操作点来确定载波频率，实现了0.9％的最大wthd值，这明显低于利用根据现有技术的恒定载波频率规范时大于2.5％的最大wthd值。
[0116]
图13是其上绘制了逆变器2的总损耗的扭矩-转速图，其中该图示对应于图110。从图13和图10之间的对比可以看出，参照图4和图7解释的优点也通过使用gdpwm来实现。
[0117]
以下进一步的示例性实施例可以基于之前描述的示例性实施例中的任一个：根据控制设备8的另一示例性实施例，特性图由离散对定义，并且控制设备8被配置为通过被分配给离散对的载波频率值的插值，具体地是线性插值来确定载波频率。根据另一示例性实施例，控制设备8被配置为借助于分析计算规范来确定载波频率，从该分析计算规范可以根据操作点而不是基于特性图来确定载波频率。根据另一示例性实施例，扭矩信息不是参考电流信息16获得的，而是由控制设备8在用于确定开关信号15的控制的上下文中估计或测量的。