經過直流總線電流測量的電動機電流重建的製作方法
2024-02-11 11:52:15 1
專利名稱：經過直流總線電流測量的電動機電流重建的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及電動機電流反饋測量，具體言之是涉及通過測量直流總線電流獲得電動機電流的計算上的重建。
背景技術：
三相電動機驅動的倒相器在工業上已經為人熟知。典型地，直流總線為交流電動機的不同相提供切換能量。用於將切換指令和順序提供給倒相器的設計方法包括使用空間矢量調製。例如，圖1給出了切換矢量平面，其具有六角形頂角表示的具體的切換狀態。
使用此類型的電動機控制，期望精確的測量電動機相電流以提供高性能的控制。然而，在寬的電流和溫度範圍內精確的測量電動機相電流往往是很困難的。例如，能夠使用霍爾效應傳感器，但是本質上體積龐大且昂貴。在脈寬調製(PWM)的倒相器驅動系統中，當使用非零的基本矢量時，能夠通過測量直流總線電流來確定電動機相電流。每個基本矢量在PWM周期中被指定具體的時間，以生成指令電壓矢量。然而，如果基本矢量僅被使用非常短的時間周期，則不能直接從直流總線電流確定電動機相電流。由於PWM倒相器驅動系統的實際執行情況導致電動機相電流缺乏可觀測性。例如，A/D變換器採樣和保持時間導致的時間延遲、開啟期間的電壓轉換和其它的延遲因素阻止了觀測用於短時間內的基本矢量的效果。
在圖1A所示的空間矢量平面中，給出了沿著空間矢量平面部分的邊界定位的不可觀測的區域。在這些控制周期內不能觀測電動機相電流，所以很難獲得充沛的且高性能的電動機驅動。
發明內容
本發明提供一種根據直流總線電流重建電動機電流的算法。使用該重建算法，電動機相電流的不可觀測操作被限制在很小的範圍內。兩相空間矢量調製使得基本矢量的可觀測效果的最小時間得以減少。在實際應用中，涉及到不可觀測性的時間限制被切成一半。通過減小此最小時間，用於按照此技術測量相電流的可利用時間被加倍。當電壓矢量角大於30度時，零矢量111用於替代000。通過使用不用的零矢量將切換狀態脈衝時間最大化。
當使用兩相空間矢量調製時，電動機電流超過某閾值水平，不需要插入死區時間(dead time)並且能夠進一步減小時間限制。
當指令電壓落入不可觀測範圍時，根據PWM周期中生成的兩個矢量形成指令電壓矢量。一個生成的矢量是相位等於30度，幅值等於兩倍不可觀測部分的寬度的電壓矢量。使用此矢量確保了三個電動機相電流中的兩個的可觀測性。添加第二矢量以形成落於不可觀測範圍的合成指令電壓矢量。兩個組合矢量的時間平均值等於指令電壓矢量的時間平均值。使用兩個矢量的組合使得控制器運行周期將被減半。
下面將參照具有適當參考指示符的附圖詳細說明本發明，其中圖1A給出了具有傳統的不可觀測區域的電壓空間矢量平面；圖1B給出了按照本發明的修改的電壓空間矢量平面；圖2給出了通過兩相交換的減小的不可觀測區域；圖3給出了依照本發明的電流採樣技術；以及圖4給出了插入已知的電壓矢量以獲得參考指令電壓矢量。
具體實施例方式
本發明提供一種算法用於根據直流總線電流的測量重建三相電動機電流信息。如圖1B所示的電壓空間矢量平面10含有靠近扇區邊界的不可觀測區域。依照本發明，生成具有減小的不可觀測區域的電壓空間矢量平面11。
參照圖2(a)，傳統的三相倒相器提供三相電壓空間矢量PWM調製。在圖2(b)中，使用兩相電壓空間矢量PWM能夠形成同樣的指令電壓，如交換圖21所示。依照兩相矢量調製，不可觀測的最小時間限制被切成一半。
在兩級PWM倒相器驅動系統中，能夠產生8種可能的基本電壓矢量，通過8種基本電壓矢量能夠形成任何預期的指令電壓矢量。由於通過如直流總線電壓水平確定，預期的指令電壓矢量受到倒相器最大輸出電壓的限制。在PWM倒相器驅動系統中，當使用非零基本矢量時，能夠從直流總線電流確定電動機相電流信息。在PWM周期中為每個基本矢量指定具體的時間，以生成指令電壓矢量。如果指令電壓矢量僅被使用很短的時間周期，則不能從直流總線電流觀測電動機電流。時間限制的簡短來自與A/D變換相關的時間延遲，其除了設備開啟時導致的電壓轉換之外，還包括採樣和保持時間。在圖1所示的電壓空間平面中形成不可觀測區域的正是此時間限制。
再次參照圖2(a)，在扇區1的不可觀測區域種顯示了指令電壓矢量。在此例子中，在PWM周期Tpwm中電動機的所有三個相被PWM驅動。在PWM周期Tpwm中全部時間T2出現在不同的點。
參照圖2(b)，通過使用兩相電壓空間矢量調製減小了不可觀測區域。通過圖2(b)中的兩相PWM能夠形成相同的指令電壓，如被形成在圖2(a)的系統中一樣。然而，在兩相電壓空間矢量調製中，不可觀測的時間限制周期被切成一半。全部時間T2位於一個點。因此，用於測量電流的可利用時間被加倍。當電壓角度大於30度時，零矢量111用於替代零矢量000以減小T1時間。
使用兩相電壓空間矢量調製，能夠使時間限制的進一步減少。當電動機電流高於給定的閾值時，排除了插入死區時間的需要。典型地，時間限制能夠按下面所示的被寫成最小時間Tmin＝Td+T(dv/dt)+T(A/D)其中
T(A/D)A/D變換器採樣/保持時間T(dv/dt)電能切換設備轉換時間因此，當Td等於0時，Tmin相應減小。
現在參照圖3，每個PWM周期內直流總線電流被採樣三次。在圖3中，但是在不同的時間場合，採樣idc1和idc3來自相同的電動機相。基於圖3中所示的公式計算電流採樣idc1和idc3，以為計時同步提供採樣idc2。
現在參照圖4，表40給出了已知電壓矢量的插入。插入電壓矢量用於形成指令電壓矢量Vref。當指令電壓在不可觀測的扇區帶內時，在PWM周期內生成的兩個矢量形成指令電壓矢量。電壓矢量V1相位等於30度，幅值等於兩倍的不可觀測扇區寬度A。通過按照這些約束形成矢量V1，確保了兩個電動機相電流的可觀測性。將矢量V2加到矢量V1以形成合成指令電壓矢量Vref。如圖4所示，V1的時間平均值減去V2等於Vref的時間平均值。通過形成具有矢量V1和矢量V2的指令電壓矢量，當指令電壓進入不可觀測扇區時，控制器運行周期被減半。
儘管已經涉及具體的實施例說明了本發明，但是對於本領於技術人員來講，許多其它的變化和修改以及其它的用途將變得顯而易見。因此，首選的，本發明並不由此處的具體公開限制，而是由所附的權利要求所限制。
權利要求
1.一種在脈寬調製倒相器驅動系統中減少不可觀測區域的方法，包括使用兩相空間指令調製形成指令電壓；增加消耗在任何給定的基本矢量上的時間以高於給定的域值；以及使消耗在任何給定的基本矢量上的一些時間局部化，從而增加可利用的電流測量時間，由此減少不可觀測區域。
2.如權利要求1所述的方法，還包括當電壓角度大於30度時使用替換的零矢量以使可獲利用的觀測間隔最大化。
3.如權利要求2所述的方法，其中零矢量111被用作替換的零矢量。
4.如權利要求1所述的方法，還包括電動機電流超過給定的閾值時，消除死區時間插入，由此減小不可觀測區域的時間周期。
5.如權利要求1所述的方法，還包括在每個脈寬調製周期內至少採樣直流總線電流三次。
6.如權利要求5所述的方法，還包括在脈寬調製周期內定義時間間隔，在該間隔內獲得了直流總線電流採樣；以及在定義的間隔內隔開直流總線採樣，以允許在至少兩個相中輸出相電流重建。
7.一種通過測量直流總線電流在功率變換器中獲得相電流的方法，包括確定具有一寬度的不可觀測的扇區；當指令電壓矢量位於不可觀測的扇區時，形成第一電壓矢量，第一電壓矢量具有可觀測的相角，且第一電壓矢量的幅值大於不可觀測的扇區寬度；形成具有相位和幅值的第二電壓矢量，以便所述指令電壓矢量由所述第一和第二電壓矢量求和產生，因此該第一和第二電壓矢量和的時間平均值大約等於所述指令電壓矢量的時間平均值。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述不可觀測的扇區寬度涉及直流總線電流採樣的時間間隔。
9.如權利要求8所述的方法，其中不可觀測的扇區寬度A由公式A=TminTpwm3]]>給出，其中Tmin是獲得直流總線電流採樣所需的最小時間，Tpwm是PWM周期時間間隔。
10.一種處理器，其可被編程以生成如權利要求7的方法的基於直流總線電流採樣的相輸出電流的表示。
11.一種由處理器運行的程序代碼，所述程序代碼根據倒相器中測量的直流總線電流提供相電流重建的表示，所述程序代碼包括用於操作根據權利要求7方法的處理器的指令。
12.一種用於在功率變換器中根據直流總線電流獲得相電流的方法，包括使用兩相空間矢量調製形成指令電壓矢量；排列基本電壓矢量的組合以產生其不可觀測的區域具有減小的寬度的指令電壓矢量；以及當指令電壓矢量位於不可觀測的區域時在可觀測的區域中形成第一電壓矢量以具有大於該寬度的幅值；形成第二電壓矢量以與該第一電壓矢量相加；第一和第二電壓矢量相加以形成第三電壓矢量，第三電壓矢量具有大約與所述指令電壓相同的相位和幅值，以便所述第三電壓矢量和的時間平均值大約與所述指令電壓矢量的時間平均值相等。
全文摘要
一種基於直流總線電流的測量來重建相電流的技術。通過使用兩相空間矢量調製，在尺寸上減小了重建相電流的直流總線電流採樣的不可觀測的區域。當輸出電流高於給定的閾值時，通過刪除開關致動的無電流時間插入，能夠進一步減小不可觀測的區域。通過兩個具有不同相位和幅值的附加矢量能夠在不可觀測的區域中形成電壓指令矢量，以獲得反映相電流的可觀測的直流總線電流。附加的矢量具有與電壓指令矢量的時間平均值相同的組合的時間平均值。
文檔編號H02P23/14GK1639957SQ03805712
公開日2005年7月13日 申請日期2003年3月28日 優先權日2002年3月28日
發明者E·Y·Y·何, 高橋敏男 申請人:國際整流器公司