本發明涉及采用逆變器和電機的電力系統，以及其發展和控制。

背景技術：

用于控制電機的高壓電力電路可以包括高壓dc電源，該高壓dc電源電連接至前端dc轉dc電力轉換器(下文中稱為‘前端轉換器’)以增大供應至逆變器的高壓dc總線的電壓。可以在高壓dc總線兩端設置大容量電容器，以提供電穩定性并且存儲補充電能。多相電動機/發電機(諸如永磁同步電機)的操作和控制可以通過采用逆變器以使用從控制器輸出的脈寬調制(pwm)控制信號將dc電力變換為ac電力而實現。已知的逆變器可以不同操作模式來控制，包括pwm模式，諸如正弦、遲滯、過調制或空間向量pwm模式)、六步模式或另一種合適模式。

dc總線上的高波紋電流的一個原因是逆變器的操作。當逆變器正以六步逆變器操作模式或其它操作模式操作(其中逆變器的輸出以離散步長發生)時，波紋電流的高量值可能是最明顯的，從而導致從dc總線吸取大的低頻電流波紋分量。此逆變器操作模式是將來自于電機的轉矩輸出最大化所必需的。可以通過采用低頻電子輸入濾波器作為逆變器的輸入來降低從dc總線吸取的電流波紋的量值，其中電子輸入濾波器的大小和功耗是基于電流波紋的量值而確定。然而，此可造成電力電子子系統可占據大部分空間。因此將希望具有能夠控制dc總線電壓波紋以尤其將采用逆變器控制的六步或其它步長模式來控制電機的系統(包括其中負荷或轉矩要求頻繁地改變的系統)中的電子輸入濾波器的所需大小、功耗和發熱最小化的控制系統和方法。

技術實現要素：

描述了一種用于供電以控制電機的電力系統，且該電力系統包括電連接至從高壓dc電源供應電力的前端轉換器的逆變器以及馬達控制系統。描述了一種用于控制前端轉換器的方法，且該方法包括監測電機并且基于從高壓dc電源供應的電力來確定參考電流。基于電機的監測確定馬達電流，且基于馬達電流以及電機的監測確定前饋電流。基于參考電流、馬達電流和前饋電流確定第一占空比，且基于電機的監測確定前饋占空比。基于前饋占空比和第一占空比確定第二占空比，且基于第二占空比控制前端轉換器。

上述特征和優點以及本教導的其它特征和優點從某些最佳模式的以下詳述和用于實行如隨附權利要求書中限定、結合附圖取得的本教導的其它實施例將容易地顯而易見。

附圖說明

現在將通過實例方式參考附圖描述一個或多個實施例，在附圖中：

圖1示意地說明根據本發明的用于供電以控制電機的電力系統的一個實施例，該電力系統包括電連接至從高壓dc電源供應電力的前端轉換器的逆變器以及馬達控制系統；以及

圖2以圖形說明根據本發明的用于設置成控制參考圖1描述的電力系統的實施例的馬達控制系統的控制參數的量值，其中該控制參數是關于時間示出的六步速率限制器ssrl，包括指示前端轉換器被命令以六步模式操作時的時間點。

具體實施方式

現在參考附圖，其中描繪的目的僅是為了說明某些例示性實施例而并非為了限制該實施例，圖1示意地說明用于供電以操作并且控制電機10的電力系統的一個實施例。電力系統優選地包括電連接至前端轉換器30的電力逆變器20，該前端轉換器從高壓dc電源40供應電力。前端轉換器30經由包括大容量電容器28的高壓dc總線26電連接至電力逆變器20，并且操作為dc轉dc電力轉換器以增大供應至高壓dc總線26的電力的dc電壓電平。馬達控制系統100設置成監測并且控制電力逆變器20、前端轉換器30和高壓dc電源40。馬達控制系統100控制電力逆變器20和前端轉換器30以采用經由前端轉換器30和高壓dc總線26從高壓dc電源40供應的電力操作電機10。在一個非限制性實施例中，電力系統可以在車輛上采用作為推進系統的元件。與用于電力逆變器20、前端轉換器30、高壓dc電源40、高壓dc總線26和大容量電容器28的馬達控制系統100有關的設計和控制特征可以如本文所述般發展和分派。

電機10可以是馬達/發電機或另一種合適的多相電機(例如，永磁裝置)。電力逆變器模塊20經由高壓dc總線26電連接至高壓dc電源40。電力逆變器模塊20包括電設置在高壓dc總線26的正導體與負導體之間的大容量電容器28。旋轉位置傳感器12設置成監測電機10的旋轉輸出構件的旋轉位置，由該旋轉位置可以確定馬達速度/位置13。旋轉位置傳感器12可以是解算器、霍爾效應傳感器、另一種合適的旋轉位置感測裝置，或虛擬軟件替換。

在一個實施例中，馬達控制系統100包括電壓源逆變器(vsi)或用于控制逆變器20的其它馬達控制器50，且電機10是包括設置成星形配置的定子和轉子的永磁同步裝置，但是本文所述的概念并無此限制。馬達控制器50通過逆變器20控制電機10中的轉矩輸出，該逆變器經由前端轉換器30電連接至高壓dc電源40。用于在逆變器狀態之間切換以調節電機10的轉矩輸出的控制方法可以包括以pwm模式或六步模式操作。在pwm模式中，逆變器20在非零狀態中的兩個狀態和零狀態之間快速切換。馬達控制器50通過指定pwm占空比來指定三個狀態中的每個狀態中消耗哪個時間分率。馬達控制器50以規則的時間間隔更新pwm占空比使得更新頻率顯著高于轉子旋轉的頻率。在六步模式中，逆變器20控制成在電機10的每個電循環時將開關24在六個非零狀態中循環一次以在每個定子繞組中產生ac電壓和電流。電循環是相對于馬達磁極限定并且不一定對應于轉子的完整回轉。本領域技術人員了解控制逆變器20以操作電機10的細節。

除線性模式外，馬達控制器50還優選地包括限流器和用于控制逆變器20的操作以控制電機10以過調制和六步模式進行的操作的六步電壓控制器。ac電壓的振幅是由經由前端轉換器30電連接至高壓電源40的高壓dc總線26上的dc電壓的量值所決定。轉矩是由dc電壓、轉子速度和這些準正弦ac電壓信號與轉子位置之間的相差所決定，并且進一步通過以六步模式操作控制系統來控制。馬達控制器50經由逆變器柵極驅動22發出命令至逆變器20，該命令指示何時切換至序列中的下一個狀態。

電力逆變器模塊20優選地電設置在前端轉換器30與電機10之間，并且包括多個開關24，該開關設置為電串聯連接在高壓dc總線26的正導體與負導體之間的開關對。如所示，電機10被配置為三相裝置，且電力逆變器模塊20包括三個開關對，其中每個開關對均連接至電機10的一個相。開關對的每個開關24可以是具有并聯設置的二極管的絕緣柵雙極型晶體管(igbt)或另一個合適的高壓開關(例如，場效應晶體管(fet)或碳化硅(sic)fet)。逆變器柵極驅動電路22優選地包括多個柵極驅動和控制器，其中逆變器柵極驅動電路22產生控制信號23以響應于源自于馬達控制系統100的控制信號51(例如，脈寬調制控制信號)而控制開關24的啟動和停用。電力逆變器模塊20包括具有電容器、電阻器的其它電部件以及其它電路部件以實現與電噪聲消除、負荷平衡等有關的功能。

電流傳感器14設置成監測傳遞至電機10的a、b和c相的電流ia、ib和ic15的量值。在其中電機10設置成字母y配置(未示出)的實施例中，可以監測電流中的僅兩個電流。電流傳感器14可以采用任何合適的電流感測技術，包括(例如)磁場產生監測或電壓差監測。

大容量電容器28可以是任何合適的電容存儲裝置，例如電解鋁裝置、陶瓷裝置或膜裝置。大容量電容器28的大小可以根據其總電容來描述，并且可以基于高壓dc總線26上的波紋電壓的振幅以及其它因素來選擇。如本領域技術人員理解，大容量電容器的電容是關于包括峰值電流、rms電流(其是波紋電壓的參數化值)、最小和最大總線電壓電平、操作溫度和其它因素的參數而確定。因而，大容量電容器28的大小(根據其電容來說)可以基于采用六步操作模式操作逆變器20時的預期dc總線電壓波紋來選擇。大容量電容器28為了便于說明而被示為單個裝置。應明白的是，大容量電容器28可以由多個電容器裝置組成，該電容器裝置設置成電串聯、并聯或任何其它合適的電配置以提供高壓dc總線26的正導體與負導體之間的電路中的電容。電壓感測系統設置成監測總線電勢vdc18，其是在高壓dc總線26的正導體和負導體兩端測量。

在一個實施例中且如所示，前端轉換器30包括設置成開關對的兩對開關34，其電連接至高壓dc電源40并且還電連接在高壓dc總線26的正導體與負導體之間。如所示，前端轉換器30包括設置在高壓dc總線26的正導體與負導體之間的兩個開關對。開關對的每個開關34可以是具有并聯設置的二極管的絕緣柵雙極型晶體管(igbt)或另一個合適的高壓開關(例如，場效應晶體管(fet)或碳化硅(sic)fet)。每個開關對均對應于電機10的一個相。升壓柵極驅動電路32優選地包括多個柵極驅動和控制器，其中升壓柵極驅動電路32產生控制信號33以響應于源自于馬達控制系統100的升壓控制信號93(例如，脈寬調制控制信號)而控制開關34的啟動和停用。前端轉換器30包括具有電容器、電阻器的其它電部件以及其它電路部件以實現與電噪聲消除、負荷平衡等有關的功能。電力逆變器模塊20、前端轉換器30和電機10的電設置為本領域技術人員所已知。

高壓dc電源40可以是任何合適的電源，例如，鋰離子電池或超級電容器。電壓感測系統設置成監測從高壓dc電源40供應至前端轉換器30的電池電勢vbatt41。電流傳感器16設置成監測從高壓dc電源40傳遞至連接一個開關對與前端轉換器30的節點的電流(例如，升壓電流iα17)的量值。

馬達控制系統100控制電力逆變器20和前端轉換器30以采用經由前端轉換器30和高壓dc總線26從高壓dc電源40供應的電力操作電機10。馬達控制系統100可以設置為單式控制器或各自具有具體操作需求的多個控制器。如所示，馬達控制系統100包括產生傳送至逆變器柵極驅動電路22的馬達控制信號51的馬達控制器50，和產生傳送至升壓柵極驅動電路32的升壓控制信號93的升壓控制器70。

馬達控制器50監測馬達控制系統100中的信號輸入(21)，其中此信號監測采取諸如模擬/數字轉換的合適形式。監測的信號輸入包括設置成監測電機10的a、b和c相的輸入的電流傳感器14中的電流ia、ib和ic15、從高壓dc電源40至前端轉換器30的升壓電流iα17、從高壓dc電源40供應至前端轉換器30的電池電勢vbatt41、高壓dc總線26的正導體和負導體兩端的總線電勢vdc18，以及電機10的旋轉輸出構件的馬達速度/位置13。馬達控制器50還監測可以基于對電力的操作者請求而產生在另一個控制器中的馬達轉矩命令。

馬達控制器50執行多個控制例程以確定與電機10相關聯的各種控制和操作狀態。

馬達控制器50的一個操作包括pwm控制例程52，其確定傳送至逆變器柵極驅動電路22以控制逆變器20的馬達控制信號51。馬達控制信號51可以呈基于馬達轉矩命令、馬達速度/位置13、電流15和總線電勢vdc18確定的脈寬調制(pwm)信號的占空比的形式。相反地，馬達控制信號51可以呈用于以六步模式操作且基于馬達轉矩命令、馬達速度/位置13、電流15和總線電勢vdc18確定的pwm信號的六步占空比的形式。

本領域技術人員能夠開發并且實施確定馬達控制信號51的合適pwm控制例程52。馬達控制信號51優選地包括da、db和dc占空比控制信號，其中da表示與控制逆變器20的開關對中電連接至電機10的第一管腳的第一開關對相關聯的占空比，db表示與控制逆變器20的開關對中電連接至電機10的第二管腳的第二開關對相關聯的占空比，且dc表示與控制逆變器20的開關對中電連接至電機10的第三管腳的第三開關對相關聯的占空比。

馬達控制器50執行dc電流例程60以根據以下等式確定dc馬達電流idc59：

idc＝da*ia+db*ib+dc*ic[1]

其中：

idc表示dc逆變器電流，

da、db和dc表示第一、第二和第三占空比控制信號，且

ia、ib和ic表示輸入至電機10的a、b和c相的電流。

馬達控制器50執行平均電流例程58以采用三相電系統至dq參考系的數學變換(通常稱作park變換)來確定平均電流idc_ave57，該參考系可以用于簡化分析和控制。dq參考系包括直(d)軸和正交(q)軸，其中d軸與馬達轉矩相關聯且q軸與馬達磁通量相關聯。平均電流idc_ave57可以根據以下等式確定：

idc_ave＝3*(vd*id+vq*iq)/(2*vdc)[2]

其中：

idc_ave表示平均逆變器電流，

vd表示直軸電壓，

id表示直軸電流，

vq表示正交軸電壓，

iq表示正交軸電流，且

vd表示高壓dc總線26的正導體和負導體兩端的總線電勢vdc18。

馬達控制器50執行dc電流波紋例程54以根據以下等式確定dc波紋電流idc_ripple53的量值：

idc_ripple＝idc–idc_ave[3]

其中：

idc_ave是在等式2中計算的平均電流，且

idc是在等式1中計算的dc電流。

馬達控制器50可以執行符合以六步模式操作馬達控制器50的命令的六步轉變例程56。六步轉變例程56確定基于時間的六步速率限制器ssrl55，其促進以pwm模式控制前端轉換器30與以六步模式控制前端轉換器30之間的轉變。馬達控制器可以請求由六步有效標志確定的六步操作，該標志在圖2中的時間點155處指示。當六步有效標志設置為真時，控制器將直接命令六步占空比，否則，其將提供pwm占空比。對于升壓控制器，施用六步速率限制器至六步有效標志以提供用于升壓控制器的前饋項的平穩轉變。六步轉變例程56引入六步速率限制器ssrl55，其是具有介于0.0與1.0之間且關于命令以六步模式操作后經過的時間確定的值的倍數。圖2以示出控制參數100，其關于水平軸上的時間在垂直軸上指示六步速率限制器ssrl55的量值，其中時間點155處命令六步模式。因為平均dc電流計算例程58在轉變為六步模式期間且在六步模式的操作期間并未提供正確波形，所以執行六步轉變例程56。六步速率限制器ssrl55由升壓控制器70所采用。在非六步模式中，僅馬達電流idc可以用作前端轉換器30的前饋項，其可以在線性和過調制區域的瞬時操作期間向前端轉換器30提供正確波形。然而，在六步模式的操作期間，使用馬達電流idc作為前饋項無法提供最佳波紋消除結果。因此，馬達電流分離為平均dc電流和波紋dc電流。平均dc電流用于補償由于電機中的突然負荷/轉矩變化引起的平均波紋，且波紋dc電流用于補償由六步操作引起的波紋電壓。擺率限制器施用至六步有效標志以在轉變為六步操作時提供合適的瞬時響應。

升壓控制器70包括呈可執行指令和預定刻度的形式的升壓控制例程71，該升壓控制例程基于dc馬達電流idc59、平均電流idc_ave57和dc波紋電流idc_ripple53、考慮六步速率限制器ssrl55、總線電勢vdc18、命令的總線電勢vdc*19、電池電勢vbatt41和前端轉換器30的升壓電流iα17來產生升壓控制信號93。當前端轉換器30正以pwm模式或六步模式操作時，升壓控制例程71提供前饋補償項，該前饋補償項單獨加至平均控制器元件和占空比命令發生器以實現更佳的瞬時和穩定狀態性能。

升壓控制例程71包括第一前饋補償例程74以基于dc馬達電流idc59、平均電流idc_ave57和六步速率限制器ssrl55如下確定前饋dc電流idc_ffd73：

idc_ffd＝(1-ssrl)*idc+ssrl*idc_ave[4]

基于總線電勢vdc18除以電池電勢vbatt41的比率調整前饋dc電流idc_ffd73(74)以產生調整的前饋dc電流idc_ffd75。如明白的是，當前端轉換器30并未以六步模式操作或并未轉變為以六步模式操作時，六步速率限制器ssrl55具有0.0的值，且因此基于dc馬達電流idc59確定前饋dc電流idc_ffd73。

總線電勢vdc18與命令的電勢vdc^*19之間的差值81是經由差值算子80確定并且進行比例-積分控制例程82以確定參考電流iref83。

調整的前饋dc電流idc_ffd75經由加法算子84加至參考電流iref83以確定總和85，其經由乘法算子86乘以0.5倍以確定第一命令的升壓電流iα^*87。第一命令的升壓電流iα^*87經由加法算子88加至升壓電流iα17以確定總升壓電流iα-tot89。總升壓電流iα-tot89輸入至pi控制器90，從而基于該總升壓電流命令確定用于控制升壓柵極驅動電路32的占空比d^*91。

第二前饋補償例程76執行以基于六步速率限制器ssrl55和dc波紋電流idc_ripple53如下提供前饋補償占空比dripple77。

dripple＝(idc_ripple*ssrl)/(2*iα)[5]

前饋補償占空比dripple77與命令的占空比d^*91結合(92)以確定用于控制升壓柵極驅動電路32的升壓控制信號93。

如所明白的是，當前端轉換器30并未以六步模式操作或并未轉變為以六步模式操作時，六步速率限制器ssrl55具有0.0的值，且因此前饋補償占空比dripple77具有0.0的值，即，不存在前饋補償。

以此方式，源自于馬達控制器50的前饋補償項單獨加至前端電壓控制器和占空比命令發生器以減少前端轉換器30在與六步操作相關聯的線性區域和過調制區域中的pwm操作期間的dc總線電壓波紋，包括通過前饋補償的dc總線電壓波紋消除。

補償項產生在馬達控制器內部，并且優選地修正來解決計算和通信延時，且可以經由高速數字通信鏈路傳送至升壓控制器。因而，dc總線電壓波紋消除可以由在升壓控制器70中執行的升壓控制例程71而非采用pwm整流器電路來實現。在給定固定dc電路電壓波紋規格的情況下，dc總線電壓波紋的減少可以促進dc鏈路電容器大小的顯著減小。

術語控制器、控制模塊、模塊、控制、控制單元、處理器和類似術語是指專用集成電路(asic)、電子電路、中央處理單元(例如，微處理器)以及呈存儲器和存儲裝置(只讀、可編程只讀、隨機訪問、硬盤等)的形式的相關非暫時性存儲器部件的任何一個或各種組合。非暫時性存儲器部件能夠存儲呈一個或多個軟件或固件程序或例程的形式的機器可讀指令，是組合邏輯電路、輸入/輸出電路和裝置、信號調節和緩沖電路，以及可由提供所描述功能性的一個或多個處理器訪問的其它部件。輸入/輸出電路和裝置包括模擬/數字轉換器以及監測來自傳感器的輸入的相關裝置，其中此類輸入以預設采樣頻率或響應于觸發事件而監測。軟件、固件、程序、指令、控制例程、代碼、算法和類似術語意味著包括刻度和查找表的任何控制器可執行指令集。每個控制器執行控制例程以提供理想的功能，該功能包括監測來自感測裝置和其它聯網控制器的輸入以及執行控制和診斷指令以控制致動器的操作。例程可以規則的間隔而執行，例如正進行的操作期間每100微秒執行一次。替代地，例程可以響應于觸發事件的發生而執行。控制器之間的通信和控制器、致動器和/或傳感器之間的通信可以使用直接有線點對點鏈路、聯網通信總線鏈路、無線鏈路或任何另一種合適的通信鏈路而實現。通信包括以任何合適形式交換數據信號，包括(例如)經由導電介質交換電信號、經由空氣交換電磁信號、經由光學波導交換光學信號等。數據信號可以包括表示來自傳感器的輸入的模擬、離散或數字化模擬信號、表示致動器命令的信號和控制器之間的通信信號。術語“信號”是指傳達信息的任何物理上可辨別指示器，并且可以是能夠行進通過介質的任何合適的波形(例如，電、光學、磁性、機械或電磁)，諸如dc、ac、正弦波、三角波、方形、振動等。術語'模型'是指基于處理器或處理器可執行代碼以及模擬裝置或物理過程的物理存在的相關刻度。如本文所使用，術語'動態的'和'動態地'描述了實時執行并且以監測或以其它方式確定參數的狀態和在例程的執行期間或例程執行的迭代之間規則地或定期地更新參數的狀態為特征的步驟或程序。

流程圖和流程圖中的方框圖說明了根據本發明的各個實施例的系統、方法和計算機程序產品的可能實施方案的架構、功能性和操作。關于這一點，流程圖或方框圖中的每個方框可以表示模塊、代碼段或部分，其包括用于實施指定邏輯功能的一個或多個可執行指令。還應當注意的是，流程圖和/或流程圖說明中的每個方框以及方框圖和/或流程圖說明中的方框的組合可以由執行指定功能或作用的基于專用硬件的系統或專用硬件與計算機指令的組合來實施。這些計算機程序指令還可以存儲在計算機可讀介質中，該計算機可讀介質可指導計算機或其它可編程數據處理設備以特定方式運作，使得存儲在計算機可讀介質中的指令產生包括實施流程圖中指定的功能或作用的指令的制品。

詳述和附圖或圖支持并且描述本教導，但是本教導的范圍僅僅是由權利要求限定。雖然已詳細地描述了用于實行本教導的某些最佳模式和其它實施例，但是存在用于實踐隨附權利要求書中限定的本發明的各種替代設計和實施例。