用于操控多相電機的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于操控與電池相連接的多相電機的方法，該多相電機具有一帶有中間電路電容器的中間電路、相繞組、并且對與每個相來說具有一高側(cè)開關(guān)和一低側(cè)開關(guān)。對應(yīng)于各個相的開關(guān)由相電流預(yù)先規(guī)定，在每個操控周期的每個時刻接通至少一個相電流，并且在每個操控周期內(nèi)存在一固定的、被脈動的操控模型，在該操控模型中，對應(yīng)于相的操控信號的操控寬度是恒定的，并且對應(yīng)于各個相的操控脈沖以下述方式被預(yù)先規(guī)定，即出現(xiàn)的中間電路電流被最小化。
【專利說明】用于操控多相電機的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于操控多相電機的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]已知了電旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動裝置。在此使用了不同的調(diào)制方式。在旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動裝置中非常廣泛地使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)。在這種旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動裝置中的調(diào)節(jié)根據(jù)各個現(xiàn)有要求按照以下方法實現(xiàn):
-使用正弦形電流調(diào)節(jié)(正弦換向)，
-使用斬波(blockf5rmig)電流調(diào)節(jié)(斬波通電)，
-使用斬波電壓(借助斬波電壓的控制)，
-使用借助疊加的零電壓的正弦形電壓調(diào)節(jié)。
[0003]原則上，前面所述的技術(shù)可以應(yīng)用于具有任意相數(shù)的電機上。在實踐中，人們最經(jīng)常發(fā)現(xiàn)具有三相的電機。然而，還存在具有其它相數(shù)的電機，例如具有一相、兩相、四相、五相、六相、七相或九相的電機。
[0004]此外，已知所謂的啟-停系統(tǒng)。啟-停系統(tǒng)是用于停止和重新啟動內(nèi)燃機，用于減少燃料消耗和廢氣排放的目的。
[0005]由本 申請人:研發(fā)的啟-停系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的啟動器工作。在此，相應(yīng)的啟動器通過電控制器來操控并且借助設(shè)置在飛輪處的齒圈中的小齒輪進行干預(yù)。
[0006]此外已經(jīng)提出，基于具有附加的電子控制器的爪形極發(fā)電機來實現(xiàn)帶傳動中的啟動器發(fā)電機(RSG)。在這種啟動器發(fā)電機中，這些相多次直接通過電子半導(dǎo)體開關(guān)與電池相連接，而不應(yīng)用如PWM那樣的時鐘方法。
[0007]為了能夠在制動情況下再生較高的能量，需要具有更高電壓的系統(tǒng)。在較高的電壓的情況下，為了啟動內(nèi)燃機，需要變流器中的供電電壓定時，以便將電機中的電流限制為一預(yù)先給定的最大值。定時的變流器需要具有高電容的電容器的中間電路，以便使消耗電流(Aufnahmestrom)的交變分量平滑。在輸出極中，中間電路的尺寸經(jīng)常確定用于相應(yīng)的輸出極的空間需求。
[0008]對于具有大于14V、例如為42V的電壓的車輛而言已經(jīng)已知了，應(yīng)用升壓斬波器。由此能實現(xiàn)，在達到42V的空載電壓之前就已經(jīng)能實現(xiàn)發(fā)電機的電流輸出。
[0009]由DE 199 03 426 Al已知了用于調(diào)節(jié)具有配屬的變壓器的發(fā)電機的裝置和方法，其中變壓器作為升壓斬波器工作。所述調(diào)節(jié)在至少兩個部分范圍中以不同方式進行，該部分范圍被定義為轉(zhuǎn)速范圍或電壓范圍。下級的第一調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)作為升壓斬波器工作的變壓器。第二調(diào)節(jié)裝置用作用于流過發(fā)電機的勵磁繞組的勵磁電流的調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)裝置相互連接并且交換信息。
[0010]用于升壓斬波器的下級調(diào)節(jié)通常借助中間定心的PWM操控(Center-Aligned-Ansteuerung中心對齊操控)來實現(xiàn),其中操控比例連續(xù)地被提高。隨著操控比例的這種變化提高了中間電路電流。特別是對于汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用而言，如果存在高的中間電路電流則是危險的，這是因為中間電路電容器承受了高的環(huán)境溫度，且所述的環(huán)境溫度和中間電路電流規(guī)定了中間電路電容器的使用壽命。中間電路電流的降低提供了應(yīng)用具有較小電容的中間電路電容器的可能性，這引起了成本方面的優(yōu)點。另一個優(yōu)點在于通過降低中間電路電容器的內(nèi)部損耗功率來提高最大允許的環(huán)境溫度的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]具有在權(quán)利要求1中給出的特征的方法具有以下優(yōu)點:出現(xiàn)的中間電路電流被最小化。這提供了特別用于在升壓斬波器運行中發(fā)電機的操控策略，但也可以在電機的電機驅(qū)動運行中使用。在具有在權(quán)利要求1中給出的特征的方法中實現(xiàn)了與電池相連接的多相電機的操控，該多相電機具有一帶有中間電路電容器的中間電路、并且對于每個相來說具有一高側(cè)開關(guān)和一低側(cè)開關(guān)，其中，對應(yīng)于各個相的開關(guān)由控制單元加載控制信號，其中，控制單元為對應(yīng)于各個相的開關(guān)這樣提供控制信號以降低中間電路電流:預(yù)先規(guī)定正弦形的相電流，在每個操控周期的每個時刻接通至少一相電流，在每個操控周期內(nèi)存在一固定的、被脈動的操控模型，在該操控模型中，對應(yīng)于相的操控信號的操控寬度是恒定的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明。圖中示出:
圖1示出了用于以具有BlO橋的五角星連接結(jié)構(gòu)說明連接在電池上的五相電機的簡
圖，
圖2示出了用于說明已知的中心對齊操控模型和在此出現(xiàn)的電流的圖表，
圖3示出了圖2所示圖表的放大部分，
圖4不出了用于說明五相的正弦系的圖表，
圖5示出了用于說明第一改進的操控模型和在此出現(xiàn)的中間電路電流的圖表，
圖6示出了用于說明第二改進的操控模型和在此出現(xiàn)的中間電路電流的圖表，
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的操控模型，
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的操控模型，
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的操控模型，
圖10示出了其中根據(jù)操控持續(xù)時間示出的中間電路電流、電池電流和相電流的曲線的圖表，
圖11示出了其中根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速示出的中間電路電流、電池電流和相電流的曲線的圖表，
圖12示出了用于說明當(dāng)應(yīng)用已知的中心對齊操控模型時轉(zhuǎn)速升高時的中間電路電流的圖表，和
圖13示出了用于說明當(dāng)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的操控模型時轉(zhuǎn)速升高時的中間電路電流的圖表。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明涉及一種用于操控與電池相連接的多相電機的方法，該多相電機具有一帶有中間電路電容器的中間電路、和對于每個相來說具有一高側(cè)開關(guān)和一低側(cè)開關(guān)，其中配屬于各個相的開關(guān)由控制單元加載控制信號。該方法不限于電機的確定的相數(shù)，但下面根據(jù)五相電機進行詳細說明。
[0014]圖1示出了用于以具有BlO橋的五角星連接結(jié)構(gòu)說明五相電機的簡圖。五角星連接結(jié)構(gòu)理解為一種連接類型，其中電路的總共五個相繞組這樣相互電連接，使得電路圖的形狀得出五角星。
[0015]所示出的電機總共具有五個相接線A1、A2、A3、A4、A5和總共五個相繞組1、2、3、4、5，其中這些相繞組中的每個都連接在所述的相接線中的兩個相接線之間。此外，所示出的電機具有一與相接線連接的功率電子元件LE和電池B。電池B具有正極B+和負極B-。在電池B和功率電子元件LE之間設(shè)有一包含中間電路電容器C_ZK的中間電路ZK。
[0016]功率電子元件LE包含五個支路PHl、PH2、PH3、PH4、PH5，這些支路中的每個支路都具有兩個開關(guān)的串聯(lián)電路，其中這些開關(guān)中的每個都反并聯(lián)于二極管。這種布置在傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管被應(yīng)用為開關(guān)時得到，這是因為其包含反向二極管。然而原則上也可以應(yīng)用其它開關(guān)元件、例如IGBT。
[0017]功率電子元件LE的包含開關(guān)HSl和LSl的支路Phl在兩個開關(guān)HSl和LSl之間的連接點上與電機的定子的相接線Al相連接。支路Phl的開關(guān)HSl是高側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)HS1。支路Phl的開關(guān)LSl是低側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)LSI。開關(guān)HSl和LSl由控制單元S利用控制信號SI和S2來操控。
[0018]功率電子元件LE的包含開關(guān)HS2和LS2的支路Ph2在兩個開關(guān)HS2和LS2之間的連接點上與電機的定子的相接線A2相連接。支路Ph2的開關(guān)HS2是高側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)HS2。支路Ph2的開關(guān)LS2是低側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)LS2。開關(guān)HS2和LS2由控制單元S利用控制信號S3和S4來操控。
[0019]功率電子元件LE的包含開關(guān)HS3和LS3的支路Ph3在兩個開關(guān)HS3和LS3之間的連接點上與電機的定子的相接線A3相連接。支路Ph3的開關(guān)HS3是高側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)HS3。支路Ph3的開關(guān)LS3是低側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)LS3。開關(guān)HS3和LS3由控制單元S利用控制信號S5和S6來操控。
[0020]功率電子元件LE的包含開關(guān)HS4和LS4的支路Ph4在開關(guān)HS4和LS4之間的連接點上與電機的定子的相接線A4相連接。支路Ph4的開關(guān)HS4是高側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)HS4。支路Ph4的開關(guān)LS4是低側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)LS4。開關(guān)HS4和LS4由控制單元S利用控制信號S7和S8來操控。
[0021]功率電子元件LE的包含開關(guān)HS5和LS5的支路Ph5在開關(guān)HS5和LS5之間的連接點上與電機的定子的相接線A5相連接。支路Ph5的開關(guān)HS5是高側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)HS5。支路Ph5的開關(guān)LS5是低側(cè)開關(guān)。一個二極管反并聯(lián)于開關(guān)LS5。開關(guān)HS5和LS5由控制單元S利用控制信號S9和SlO操控。
[0022]在圖1中所示的電機運行時下面的關(guān)系式適用于每個任意的時刻:I_ZK= I_Bat -1—Gen。
[0023]在此根據(jù)功率電子元件的開關(guān)位置，由疊加相電流1_1至1_5得出發(fā)電機電流1_Gen用于下述相，該相的高側(cè)開關(guān)在各個時刻被控制。
[0024]已知了所謂的中心對齊操控。其中使用于電流的時間范圍集中于一小的時間范圍。這種中心對齊操控的操控模型和在此出現(xiàn)的電流在圖2所示圖表中顯示，其中在圖2中用U、V、W、X和Y表示用于對應(yīng)于相的開關(guān)的操控脈沖，用I_U、I_V、I_W、I_X和I_Y表示相電流。
[0025]在此，在圖2a中示出用于開關(guān)的操控信號，在圖2b中示出用于中間電路電流1_ZK，在圖2c中示出施加在電池的正極上的電壓V_B+，在圖2d中示出電池電流I_Bat，在圖2e中示出相電流I_X至I_Y。
[0026]由圖2a特別是可以看出，在中心對齊操控中，操控脈沖的脈沖中心在時間上一致，如通過圖2a中垂直虛線所表明地那樣。此外，由圖2a得出，操控脈沖的邊沿在時間上彼此不同并且位于限定的時間范圍中。借助說明文字“空轉(zhuǎn)LS”表示:在此時間間隔內(nèi)所有低側(cè)開關(guān)是接通的。借助說明文字“空轉(zhuǎn)HS”表示:在此時間間隔內(nèi)所有高側(cè)開關(guān)是接通的。借助說明文字“驅(qū)動”表示:在此窄的時間窗中，通過開關(guān)位置，將電機連接到外部電壓上。由此，引起了機器的定子繞組中的電流變化。如果操控脈沖處于電壓水平16V上，則各個所屬的高側(cè)開關(guān)是接通的。如果操控脈沖處于電壓水平OV上，則各個所屬的低側(cè)開關(guān)是接通的。 [0027]圖2b中可獲悉，中間電路電流I_ZK在操控脈沖的邊沿的時間范圍中明顯變化，如還根據(jù)圖3詳細表明地那樣。
[0028]由圖2c可看到，電池電壓V_B+也在操控脈沖的邊沿的時間范圍中明顯變化。
[0029]圖2d示出了電池電流I_Bat，且圖2e示出了相電流I_X至I_Y，其根據(jù)分別從屬的高側(cè)開關(guān)的位置加入或不加入到中間電路電流中。
[0030]圖3示出了圖2中示出的圖表的放大部分。在此，在圖3a中又示出了用于開關(guān)的操控信號，在圖3b中示出了中間電路電流I_ZK，在圖3c中示出了施加在電池的正極上的電&V_B+，在圖3d中示出了電池電流I_Bat，在圖3e中示出了相電流I_X至I_Y。
[0031]由圖3b可看出，中間電路電流Ι_ΖΚ通過電池電流I_Bat與該一個或多個分別有效的相電流的疊加形成，在屬于相接線X、U和W的高側(cè)開關(guān)接通的情況下流過高的中間電路電流，其在本實施例中約為420A，而電池電流大約為80A，有效相電流約為200A。
[0032]盡管如此，由圖2和3得出，當(dāng)應(yīng)用已知的中心對齊操控時在中間電路中調(diào)節(jié)電流階躍，其與各個開關(guān)事件在時間上相關(guān)聯(lián)。在圖2中所示的空轉(zhuǎn)時間期間，即當(dāng)所有高側(cè)開關(guān)或低側(cè)開關(guān)被閉合時，I_Gen=0。因此對于中間電路電流適用的是:I_ZK=I_Bat。在這個階段中中間電路電容器被再充電。在操控階段中電流積累。
[0033]有效電流對于中間電路電容器的損耗功率是起決定性作用的。下面的關(guān)系式是適用的:..1
姿、4 ' 士
f I；
X = ; —.|。
丨/ ο.\ f
[0034]電容器電流的算術(shù)平均值在忽略固有損耗的情況下為O。當(dāng)電流強烈相加時，也就是說當(dāng)電流曲線“尖地”延伸時，有效值強烈升高?；谟行е档倪@種強烈的升高，中間電路電容器的熱負荷是高的。這種高的熱負荷，如其在應(yīng)用中心對齊操控時出現(xiàn)地那樣，在根據(jù)本發(fā)明的方法中被避免。
[0035]在 申請人:的未在先公開的DE 10 2011 076 676中已經(jīng)提出，電流分布通過新的操控模型被拓寬并且因此降低中間電路電流的有效值和中間電路電容器的熱負荷。
[0036]圖4a示出用于說明五相的正弦系的圖表，如應(yīng)用在DE 10 2011 076 676中，其中在這個圖表中相順序與圖2和3所示圖表相比發(fā)生了變化。在此，沿橫坐標記錄了 π單位的角度，沿縱坐標記錄了理論電壓規(guī)定值。從屬的相電流用U、V、W、X和Y表示。上限值用G_o表示，下限值用G_u表示。這些限值在圖4a中用虛線表明。上限值G_o略小于最大正理論電壓值。另一個限值G_u略大于最小負理論電壓值。
[0037]所述限值通過以下方式算出:
【權(quán)利要求】
1.一種用于操控與電池相連接的多相電機的方法，所述多相電機具有一帶有中間電路電容器的中間電路、相繞組，和對于每個相來說具有一高側(cè)開關(guān)和一低側(cè)開關(guān)，其中，對應(yīng)于各個相的開關(guān)由控制單元加載控制信號，其特征在于，所述控制單元以下述方式為對應(yīng)于各個相的開關(guān)提供控制信號: -預(yù)先規(guī)定正弦形的相電流， -在每個操控周期的每個時刻接通至少一相電流， -在每個操控周期內(nèi)存在一固定的、被脈動的操控模型，在所述操控模型中，對應(yīng)于相的操控信號的操控寬度是恒定的，并且 -對應(yīng)于各個相的操控脈沖以下述方式預(yù)先規(guī)定:出現(xiàn)的中間電路電流被最小化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了設(shè)定最小的中間電路電流，在操控間隔內(nèi)改變操控脈沖的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，為了設(shè)定最小的中間電路電流，改變理論電壓的振幅。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，為了設(shè)定最小的中間電路電流，通過操控持續(xù)時間的偏移來改變各個操控脈沖的寬度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，操控周期相應(yīng)于360°/(2.PZ)的角范圍，其中，PZ是所述多相電機的相的數(shù)量。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在操控周期內(nèi)應(yīng)用平頂方法。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，對應(yīng)于相的開關(guān)的操控頻率以下述方式被修測:在360°/ (2.PZ)的角范圍中預(yù)先規(guī)定整數(shù)數(shù)量的脈沖模型。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，對應(yīng)于各個相的操控脈沖的寬度以下述方式預(yù)先規(guī)定:在正弦換向和斬波換向之間存在過渡。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，對應(yīng)于相的操控信號的操控寬度根據(jù)相應(yīng)的當(dāng)前的電壓表來查明。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，發(fā)電機電流的調(diào)節(jié)通過分級借助于脈沖模型、電機的勵磁電流、換向角、在電池中具有中間緩沖的較高時間層上的被脈動的電池電流或者通過多個這種措施的組合來進行。
【文檔編號】H02P27/08GK103650322SQ201280034017
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月8日
【發(fā)明者】P.梅林格, J.勒斯納, F.馬吉尼 申請人:羅伯特·博世有限公司