專利名稱：脈沖寬度調(diào)制逆變器的電流調(diào)節(jié)器的抗積分飽和控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例一般而言涉及用于電動機的控制器，更具體而言 涉及適用于電動機的脈沖寬度調(diào)制逆變器的電流調(diào)節(jié)器的抗積分飽和
(and - windup)控制方案.
背景技術(shù)：
例如可以用于電力或混合車輛的電力牽引驅(qū)動，需要使用高電壓 以在有限的體積和重量內(nèi)盡可能高效地產(chǎn)生扭矩.對于這種高電壓應(yīng) 用，電力驅(qū)動系統(tǒng)可以使用用于脈沖寬度調(diào)制(PWM)的過調(diào)制處理 器來工作，該過調(diào)制處理器包括六階梯(six-step)模式(下述).圖 1為用于多相AC電動機102的已知電流調(diào)節(jié)器和控制架構(gòu)100的示意 圖，
架構(gòu)100包括在連接布置106上驅(qū)動AC電動機102的PWM逆 變器104,該連接布置106可包括任意數(shù)目的連接線.連接布置106所 提供的連接的數(shù)目是由AC電動機102中使用的相位的數(shù)目決定.例如， 三相位AC電動機102將具有三個連接線.連接布置106可包括或者被 耦合到電流傳感器108，電流傳感器108的數(shù)目也由AC電動機102中 使用的相位的數(shù)目決定.電流傳感器108的輸出利用連接線112耦合到 變換處理器110.連接線112的數(shù)目仍由AC電動機102中使用的相位 的數(shù)目決定，在該例子中為3，
當(dāng)在與AC電動機102的定子同步的參考坐標(biāo)系即靜止坐標(biāo)系中 觀察時，由電流傳感器108測量的三相電流(L、 ^和^)通常承栽正 弦電流波形.在變換處理器110中，這些三相電流利用下述方程(1) 變換成同步的d-q坐標(biāo)系
<formula>formula see original document page 6</formula>(1)
在方程(1 )，轉(zhuǎn)子角度《為根據(jù)機械轉(zhuǎn)子位置和電動機極數(shù)(motor pole number)計算得到的電學(xué)轉(zhuǎn)子位置.轉(zhuǎn)子角度《由傳感器(未示出)測量.在笛卡爾坐標(biāo)系中，d-q參考坐標(biāo)系與電學(xué)轉(zhuǎn)子位置《的旋 轉(zhuǎn)同步.
如此處使用，下標(biāo)和上標(biāo)的含義如下.
下標(biāo)a、 6和"相位"6和c的量
下標(biāo)rf和《d-q坐標(biāo)系內(nèi)的量
下標(biāo)s:定子繞線的量
上標(biāo)j:靜止坐標(biāo)系內(nèi)的量
上標(biāo)r:旋轉(zhuǎn)(同步)坐標(biāo)系內(nèi)的量
上標(biāo)*: 命令(command)的量
當(dāng)信號通過同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器114并通過命令電壓限制器 116/118被處理時，信號使用d-q坐標(biāo)系，且處理的信號在旋轉(zhuǎn)變換處 理器120內(nèi)再次變換到定子參考坐標(biāo)系.
變換處理器110的輸出為測量的d-q電流4和/"如圖l所示，所 測量的d-q電流(4和。)耦合到同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器114,具體而 言，測量的d電流(& )耦合到d比例積分(PI)調(diào)節(jié)器122，且測量 的q電流(C )輛合到q PI調(diào)節(jié)器124.此外，命令的d-q電流(C和 。 )從更高水平控制器(例如，扭矩或速度控制器)通過各個連接線 126/128耦合到相應(yīng)d和q PI調(diào)節(jié)器122/124.從相應(yīng)命令電壓限制器 116/118輸出的箝位電壓命令(^;和C )被反饋到相應(yīng)的d和qPI 調(diào)節(jié)器122/124。
前饋電壓(C和^，)通過相應(yīng)連接線130/132提供到相應(yīng)d 和qPI調(diào)節(jié)器122/124.通常是由電流控制器、速度控制器或者扭矩控 制器基于電動機速度、電動機參數(shù)以及電動機汲取的電流來提供這些 前饋電壓.d和q PI調(diào)節(jié)器122/124的命令輸出電壓耦合到命令電壓限 制器116/118，如下文結(jié)合困3所討論.
從命令電壓限制器116/118輸出的箝位電壓命令(FX;,和C) 耦合到旋轉(zhuǎn)變換處理器120，以按下述方程將同步坐標(biāo)系內(nèi)的電壓變換 為靜止坐標(biāo)系內(nèi)的電壓，其中該命令電壓在該靜止坐標(biāo)系內(nèi)旋轉(zhuǎn)
旋轉(zhuǎn)變換處理器120的d和q輸出耦合到過調(diào)制處理器134(該處
血 owf
<formula>formula see original document page 7</formula>理器包括六階梯模式).在靜止參考坐標(biāo)系內(nèi)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)電壓命令
(OC )由過調(diào)制處理器134處理.如果命令電壓(C和C ) 的幅值小于;K。，則該電壓不被過調(diào)制處理器134調(diào)整，其中該+^
為線性空間矢量PWM的最大電壓，如果幅值大于;^，由于逆變器
的物理限制，該逆變器無法實現(xiàn)該電壓的命令相位和幅值.這種情況 下，過調(diào)制處理器134將箝位輸出電壓的相位和/或幅值調(diào)整為調(diào)整電 壓(《w和K;)，其基波分量幅值和相位與穩(wěn)態(tài)下的命令電壓(^;,
和^t。uf)的幅值和相位相匹配.當(dāng)電壓幅值大于^^時，PWM逆變
器104由于其物理限制而無法合成該命令電壓的瞬時相位和幅值.然 而，由于過調(diào)制處理的作用，PWM輸出電壓的基波分量將與命令電壓 相同.存在許多種過調(diào)制方法，這些過調(diào)制方法實現(xiàn)了命令電壓的基 波分量直至六階梯PWM.
過調(diào)制處理器134的輸出輛合到逆變換處理器136.逆變換處理器 136將旋轉(zhuǎn)電壓命令的靜止坐標(biāo)系表示從過調(diào)制處理器134如下所述地 轉(zhuǎn)換為電壓命令的三相位正弦表示.
(3)
逆變換處理器136的輸出耦合到PWM逆變器104, PWM逆變器 104驅(qū)動AC電動機102.
圖2描述d軸PI調(diào)節(jié)器122的示例.q軸PI調(diào)節(jié)器124按相同方 式工作.在圖2, PI調(diào)節(jié)器122包括四個求和點(參考數(shù)字152、 154、 156和158)、三個乘法器常數(shù)(參考數(shù)字162、 164和166)以及積分 器168.求和點152形成d軸電流誤差(4,),其為命令d電流(4') 和測量d電流(4)之間的差值.來自求和點152差值輸出的d軸電流<formula>formula see original document page 8</formula>誤差(4，)在166乘以比例增益常數(shù)(Kpd),且倍乘值為在求和點 156被求和的三個值之一，從求和點156輸出的電壓命令(G )將使 電流誤差(4，)最小化，并被輸入到命令電壓限制器116.在圖1中 示出的命令電壓限制器116的d軸輸出在求和點158減去電壓命令 (FT )。求和點158的電壓差值輸出在元件162乘以抗積分飽和增益 (Kad),且倍乘值在求和點154減去d軸電流誤差(w ).求和點154 的差值輸出在元件164乘以積分增益(Kid)，倍乘值被積分器168積分， 且積分器168的積分值輸出為在求和點156被求和的三個值中的另一 個.電流調(diào)節(jié)器的輸出(即，積分器168的積分值輸出，以及在元件 166被比例增益常數(shù)(Kpd)縮放的求和點152的輸出)在求和點156 加到前饋電壓(^ )以產(chǎn)生電壓命令().
圖3為命令電壓限制器116/118的示意圖。在圖3，命令電壓限制 器116/118為兩個分離但相同的電壓限制器，用于限制相應(yīng)的輸入電壓 (「r和《).每個限制器116/118的命令電壓輸出(c和c)被分 別限制在± r:之間和± r;之間.
在已知系統(tǒng)中，當(dāng)逆變器使用在線性PWM范圍之外的過調(diào)制處 理器工作時，如上所述，電流調(diào)制性能退化.這種退化是因此，電流 調(diào)節(jié)器的瞬時輸出電壓被過調(diào)制處理器調(diào)整為約束在逆變器的物理限 制之內(nèi)。當(dāng)這種電壓約束導(dǎo)致電流誤差時，PI調(diào)節(jié)器的積分器飽和， 且這種飽和產(chǎn)生大的過沖或下沖.這稱為PI調(diào)節(jié)器的積分飽和現(xiàn)象. 抗積分飽和控制的作用是防止電壓箝位過程中的積分飽和現(xiàn)象.當(dāng)輸 出電壓頻繁被箝位時，為了防止PI調(diào)節(jié)器的積分飽和并維持電流控制 性能，這種抗積分飽和控制是非常重要的.

發(fā)明內(nèi)容
此處所述的方法和技術(shù)提供了一種驅(qū)動AC電動機的脈沖寬度調(diào) 制逆變器的同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器的抗積分飽和處理.該抗積分飽和 處理結(jié)合圃形電壓限制器來實施，該圃形電壓限制器將命令電壓d-q 坐標(biāo)系的電壓幅值分量限制在該逆變器的最大基波電壓.
一個實施例包括電動機控制器的控制架構(gòu).該控制架構(gòu)包括笛 卡爾坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，配置成接收同步坐標(biāo)系d軸命令電壓(FT )
和同步坐標(biāo)系q軸命令電壓(c),并配置成響應(yīng)于^r及《來提供幅值坐標(biāo)和相坐標(biāo)；幅值限制器，配置成處理該幅值坐標(biāo)以在該幅值坐 標(biāo)超過閾值時產(chǎn)生受限幅值，并提供該幅值坐標(biāo)或該受限幅值作為輸 出幅值；以及極坐標(biāo)至笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，配置成處理該輸出幅值和 該相坐標(biāo)，并基于該輸出幅值和該相坐標(biāo)產(chǎn)生箝位同步坐標(biāo)系d軸命 令電壓(《。w )和箝位同步坐標(biāo)系q軸命令電壓(C )
另一實施例執(zhí)行電動機的逆變器的命令控制方法.該方法包括 獲得與該逆變器的命令條件相對應(yīng)的同步坐標(biāo)系d軸命令電壓(g)
和同步坐標(biāo)系q軸命令電壓(《 )；響應(yīng)于g和c應(yīng)用圃形電壓極限， 該圃形電壓極限代表該逆變器的最大基波電壓；如果FT和《的基波電
壓分量超過該逆變器的該最大基波電壓，執(zhí)行抗積分飽和控制；以及
如果g和F;'的基波電壓分量不超過該逆變器的該最大基波電壓，忽略
瞬時電壓飽和，
另一實施例涉及電動機的逆變器的控制架構(gòu).該控制架構(gòu)包括變 換處理器，配置成從該逆變器的多相電流產(chǎn)生同步d-q坐標(biāo)系；以及同 步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器，耦合到該變換處理器，該同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié) 器配置成從該同步d-q坐標(biāo)系并響應(yīng)于該逆變器的命令條件而產(chǎn)生第 一命令電壓(g )和第二命令電壓(c ).該控制架構(gòu)還包括輛合到 該同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器的圃形電壓限制器.該圃形電壓限制器配置 成處理^t和^;限制g和c的電壓幅值分量，使得該電壓幅值分 量不超過該逆變器的最大基波電壓；以及產(chǎn)生第一箝位命令電壓
(C)和笫二箝位命令電壓(C,)作為輸出，該控制架構(gòu)還包括 抗積分飽和反饋布置，輛合于該圃形電壓限制器和該同步坐標(biāo)系電流 調(diào)節(jié)器之間.
提供此發(fā)明內(nèi)容用于通過簡單的形式介紹概念的選擇，這些概念 在下文的發(fā)明詳述中被進一步描述。該發(fā)明內(nèi)容并非旨在確定所要求 保護的主趙的關(guān)鍵特征或基本特征，也非用于輔助確定所要求保護的 主題的范圍.


下面結(jié)合附圖描迷本發(fā)明，附圖中相同的參考數(shù)字表示相同元件. 圖1為使用傳統(tǒng)命令限制器的已知抗積分飽和架構(gòu)的示意圖； 圖2為具有抗積分飽和特征的已知同步坐標(biāo)系調(diào)節(jié)器的示意圖；圖3為已知命令限制器布置的方框困；
圖4為多相AC電動機的電流調(diào)節(jié)器和控制架構(gòu)的示意圖5為說明適用于圖4架構(gòu)的圃形電壓限制器的功能的圖示；以
及
圖6為適用于圖4架構(gòu)的命令限制器的示意圖.
具體實施例方式
下文的發(fā)明詳述在本質(zhì)上純粹是示例性的，并非旨在限制本發(fā)明 的應(yīng)用和用途.此外，不應(yīng)受在開篇的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi) 容或者下文的具體實施方式
中明示或暗示的理論所限制.
本發(fā)明的實施例在此通過功能和/或邏輯塊分量以及各種處理步 驟來描述.應(yīng)理解，這些塊元件可以通過配置成執(zhí)行特定功能的任意 數(shù)目的硬件、軟件和/或固件元件來實現(xiàn).例如，本發(fā)明實施例可采用 例如存儲器元件、數(shù)字信號處理元件、邏輯元件、查找表等的各種集 成電路元件，這些集成電路元件可以在一個或多個微處理器或其它控 制裝置的控制下實施各種功能.此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā) 明的實施例可以與任意數(shù)目的電動機應(yīng)用結(jié)合實施，且此處所述系統(tǒng) 僅僅是本發(fā)明的一個示例性實施例.
為了簡明，此處不詳細(xì)描述與AC電動機、AC電動機控制方案、 以及系統(tǒng)的其它功能方面(及系統(tǒng)的各個操作部件)相關(guān)的傳統(tǒng)技術(shù). 此外，此處包含的各附圖中示出的連接線旨在表示各種元件之間的示 例性功能關(guān)系和/或物理耦合.應(yīng)注意，本發(fā)明的實施例存在許多備選 或附加的功能關(guān)系或物理連接.
下述說明提到元件或節(jié)點或特征是"連接，，或"耦合"在一起.如此 處所使用，除非另外明確指出，"連接"是指一個元件/節(jié)點/特征直接結(jié) 合到(或者直接與......通信)另一元件/節(jié)點/特征，且不一定是機械地
連接.類似地，除非另外明確指出，"耦合"是指一個元件/節(jié)點/特征直 接或間接結(jié)合到(或者直接或間接與......通信)另一元件/節(jié)點/特征，
且不一定是機械地連接。因此，盡管圖4所示示意圖描述了元件的一 種示例性布置，但在本發(fā)明的實施例中可存在附加的中間元件、裝置、 特征或部件.
在瞬態(tài)條件期間當(dāng)短時間內(nèi)電壓被箝位時，傳統(tǒng)抗積分飽和系統(tǒng)運行良好、，其中在輸出電壓被箝位時該抗積分飽和系統(tǒng)被瞬時地激勵. 然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流控制器工作于最大極限附近時，控制器持續(xù)在
過調(diào)制范圍內(nèi)(包括六階梯PWM)，且電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓長時間 被該過調(diào)制處理器調(diào)整和箝位.因此，傳統(tǒng)抗積分飽和系統(tǒng)未提供良 好的性能.
在下述實施例中， 一種新的抗積分飽和處理通過過調(diào)制方法來工 作，其中這些過調(diào)制方法設(shè)計成實現(xiàn)命令電壓的基波分量.與傳統(tǒng)方 法相反，該新的抗積分飽和控制技術(shù)忽略瞬時電壓飽和，只要基波分 量被實現(xiàn)即可.僅當(dāng)基波電壓命令超過逆變器的可實現(xiàn)限制時，該抗
積分飽和系統(tǒng)才被激勵.當(dāng)電流控制器輸出電壓的幅值大于^^時，
傳統(tǒng)技術(shù)與該新的技術(shù)之間的差異顯著.這種情況下，輸出電壓被(理 論的)六角電壓極限所箝位，該六角電壓極限為逆變器的物理限制， 每個周期的六倍，每次電壓被過調(diào)制調(diào)整時，傳統(tǒng)抗積分飽和控制將 被激勵.抗積分飽和回路的頻繁工作使電流調(diào)節(jié)器的性能退化.然而， 只要基波分量由過調(diào)制處理器合成且基波電壓幅值小于預(yù)定值，則所 提出的抗積分飽和技術(shù)不被激勵.
圖4為用于多相AC電動機202的電流調(diào)節(jié)器和控制架構(gòu)200的 示意圖，控制架構(gòu)200合適地配置成控制逆變器204 (例如，PWM逆 變器)的命令，該逆變器204驅(qū)動AC電動機202.實踐中，控制架構(gòu) 200可用于耦合到AC電動機202的電動機控制器.控制架構(gòu)200通常 包括但不限于同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206;圃形電壓限制器208,耦 合到同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206的輸出；旋轉(zhuǎn)變換處理器210，耦合到 圓形電壓限制器208的輸出；過調(diào)制處理器212，耦合到旋轉(zhuǎn)變換處理 器210的輸出；逆變換處理器214，耦合到過調(diào)制處理器212的輸出； 以及變換處理器216，耦合到PWM逆變器204的輸出.在本實施例中， PWM逆變器204耦合到變換處理器216的輸出，且同步坐標(biāo)系電流調(diào) 節(jié)器206耦合到變換處理器216的輸出，控制架構(gòu)200可包括一些結(jié)合 圖1所討論的元件、部件和特征，且這些共同的元件、部件和特征將不在此詳細(xì)地重復(fù)描述.特別地，控制架構(gòu)200采用圓形電壓限制器 208代替圖1所示的分離的命令電壓限制器116/118.再者，圃形電壓
限制器208輸出的箝位命令電壓(rr聲和^'—加)是通過完全不同的處
理來產(chǎn)生.
在工作中，變換處理器216接收PWM逆變器204的多相電流(I 、 4,和/ )，并產(chǎn)生與該多相電流相對應(yīng)的同步d-q坐標(biāo)系，變換處理器 216輸出的該同步d-q坐標(biāo)系用測量的d軸電流(,l)和測重的q軸電 流(。)表示.變換處理器216產(chǎn)生的同步d-q坐標(biāo)系輸出作為同步坐 標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206的輸入，同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206還接收d軸 和q軸命令電流(C和C )作為輸入.這些命令電流代表PWM逆變器 204的命令條件，且這些命令電流可以實現(xiàn)為同步d-q命令坐標(biāo)系.在
本實施例中，同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206還接收前饋電壓(rx^和
C )作為輸入.
同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206合適地配置成從同步d-q坐標(biāo)系并響
應(yīng)于PWM逆變器204的命令條件，產(chǎn)生第一命令電壓(例如，d軸命 令電壓FT )和第二命令電壓(例如，q軸命令電壓C).就此而言，同 步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206可用作產(chǎn)生G和C的命令源。實踐中，響應(yīng) 于由變換處理器216輸出的d-q電流坐標(biāo)系并響應(yīng)于代表PWM逆變器
204的期望命令條件的d-q命令坐標(biāo)系，執(zhí)行同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié).如 此處更詳細(xì)所述，同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206也可以被圓形電壓限制 器208的輸出影響；這些輸出被反饋到同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206.
圃形電壓限制器208從同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206接收^和《， 并以合適的方式處理^和^。例如，圃形電壓限制器208可以限制電 壓幅值分量^和《，使得該電壓幅值分量不超過PWM逆變器204的 最大基波電壓.就此而言，圃形電壓限制器208可以應(yīng)用一圃形電壓 極限，以有效地減小該電壓幅值分量使其不超過預(yù)定閾值，其中該圓 形電壓極限代表PWM逆變器204的最大基波電壓.在一個實施例中， 圃形電壓限制器208接近由與三個相位、兩個電平的逆變器相關(guān)聯(lián)的 切換狀態(tài)矢量形成的六角形.
除了電壓幅值分量之外，^r和^具有相位分量.在一個實施例中，
如果電壓幅值分量超過PWM逆變器204的最大基波電壓，圓形電壓 限制器208減小該電壓幅值分量并維持該相位分量，且如果電壓幅值分量不超過PWM逆變器204的最大基波電壓，則圃形電壓限制器208 維持該電壓幅值分量及該相位分量.
圃形電壓限制器208產(chǎn)生笫 一箝位命令電壓(例如，d軸電壓C ) 和笫二箝位命令電壓(例如，q軸電壓C)作為輸出.如圖4所示， 這些輸出被反饋到同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206.同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器 206通?？梢匀缟纤龅嘏渲?，且可以利用圖2所示的布置.
參考圖2，圃形電壓限制器208的輸出可以為給控制架構(gòu)200提供 抗積分飽和布置，其中該抗積分飽和布置耦合在圃形電壓限制器208 和同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206之間(該抗積分飽和布置可以視為同步 坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206的一部分).對于此示例，求和點158和抗積分 飽和增益元件162代表用于d軸處理的抗積分飽和反饋布置部分；等
效部分用于q軸處理.該抗積分飽和反饋布置從FT和C導(dǎo)出一個誤 差信號，并從^和^;,導(dǎo)出另一誤差信號.例如，求和點158從^和 G;,產(chǎn)生誤差信號作為輸出，且該誤差信號由抗積分飽和增益元件162 處理.在控制架構(gòu)200中，如果電壓幅值分量《和《超過PWM逆變 器204的最大基波電壓，則該抗積分飽和反饋布置執(zhí)行抗積分飽和控 制.另一方面，如果這些電壓幅值分量不超過PWM逆變器204的最 大基波電壓，則該抗積分飽和反饋布置忽視或忽略瞬時電壓飽和.
耦合到圃形電壓限制器208的旋轉(zhuǎn)變換處理器210合適地配置成 將C旋轉(zhuǎn)并變換成第一靜止電壓命令(例如，靜止d軸命令電壓 C),并將《。w旋轉(zhuǎn)并變換成第二靜止電壓命令(例如，靜止q軸命 令電壓《,).過調(diào)制處理器212從旋轉(zhuǎn)變換處理器210接收C和 ^;,.過調(diào)制處理器212合適地配置成響應(yīng)于^;和C來實現(xiàn)^; 和C的基波分量.實踐中，過調(diào)制處理器212可以執(zhí)行對C和C, 的過調(diào)制以實現(xiàn)^r和K'的基波電壓分量，直至PWM逆變器204的最 大基波電壓.
在一個實施例中，過調(diào)制處理器212合適地配置成產(chǎn)生第一調(diào)整 電壓(例如，d軸電壓F(。J，該第一調(diào)整電壓具有幅值及相位與穩(wěn)態(tài)
下《。w的幅值及相位匹配的基波分量，此外，過調(diào)制處理器212合適 地配置成產(chǎn)生第二調(diào)整電壓(例如，q軸電壓^;),該第二調(diào)整電壓 具有幅值及相位與穩(wěn)態(tài)下C的幅值及相位匹配的基波分量.過調(diào)制 處理器212通過將受限電壓命令保持在六角形矢量空間內(nèi)，起著維持電動機控制器的電壓線性的功能.這些調(diào)整d-q電壓作為逆變換處理器
214的輸入.在該實施例中，逆變換處理器214配置成將^T，和K;轉(zhuǎn) 換成多相正弦表示(notation)用于PWM逆變器204.對于此處所述 的三相位實施例，逆變換處理器214產(chǎn)生三個命令電壓輸出G、 G和
圖5為示出圃形電壓限制器，例如圖4的圃形電壓限制器208的 功能的圖示.該圖示示意性示出了囷形電壓限制器如何用于限制對應(yīng) 于「X'和G的該電壓幅值分量，圖5中的水平軸對應(yīng)于d軸分量，圖5 中的垂直軸對應(yīng)于q軸分量.圖5中的圃的半徑表示圓形電壓限制器 所允許的最大電壓幅值.如上所述，該最大幅值對應(yīng)于PWM逆變器 的最大基波電壓(r ，)
虛線箭頭300表示超過最大可允許幅值的FT和^:的電壓幅值分
量。這種條件下，圃形電壓限制器將該幅值分量減小至一幅值，該幅
值不超過該最大可允許幅值.實線箭頭302表示受限幅值.對于該示 例，該受限幅值302等于最大可允許幅值.如下文更詳細(xì)所述，圓形 電壓限制器合適地配置成處理該受限幅值302以產(chǎn)生。 ,和^;' *.
圖6為適于與圖4所示架構(gòu)使用的圃形電壓限制扭400的示意性
圖示.如圖6所示，圃形電壓限制器400包括笛卡爾坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)
換器402、極坐標(biāo)范圍限制器(幅值限制器)404、以及極坐標(biāo)至笛卡
爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器406.最初用笛卡爾坐標(biāo)d和q表示的同步坐標(biāo)系電流調(diào)
節(jié)器206的命令輸出電壓C和《 在轉(zhuǎn)換器402內(nèi)被轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)P(幅
值)和^ (相位).接下來，如杲需要，僅^坐標(biāo)在限制器404被限制 (即，箝位).限制器的值可以在0至丄^的范圍內(nèi)，其中i;為六階
梯模式的最大基波分量。如上所述，如果幅值坐標(biāo)超過該最大閾值， 則限制器404產(chǎn)生受限幅值，而且限制器404提供該幅值坐標(biāo)或者該 受限幅值作為輸出幅值(例如箝位P坐標(biāo))，最后，箝位的p坐標(biāo)和未 處理的^坐標(biāo)在轉(zhuǎn)換器406內(nèi)從極坐標(biāo)再次變換到笛卡爾坐標(biāo).實踐 中，轉(zhuǎn)換器406合適地配置成基于該箝位的p坐標(biāo)和維持的伊坐標(biāo)，產(chǎn)生箝位同步坐標(biāo)系d軸命令電壓(C)和箝位同步坐標(biāo)系q軸命令 電壓(C ).
對于圖4所示實施例，笛卡爾坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器402耦合到同 步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器206，且極坐標(biāo)至笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器406耦合到旋 轉(zhuǎn)變換處理器210.
參考圖4， PWM逆變器204傳統(tǒng)地使用物理元件形成，該物理元 件典型地包括IBGT開關(guān)或者任何合適的等效物，AC電動機202也是 物理元件.在本發(fā)明實施例中，變換處理器216和逆變換處理器214
在軟件中實施.實踐中，控制架構(gòu)200可采用讀取電流,w、 4,和L的硬 件接口元件(例如，模擬電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器).類似地，控制架構(gòu)200 可采用逆變換處理器214和PWM逆變器204之間的硬件接口元件(例 如，數(shù)字電路和計數(shù)器)，其中這些元件響應(yīng)于^、 ^和fC產(chǎn)生脈沖序 列.圖4所示的其它元件包含于處理器中，該處理器是由計算機可執(zhí) 行的軟件控制.該處理器執(zhí)行軟件，該軟件具有指令(instruction)以 控制該處理器執(zhí)行每個上述功能.盡管每秒10000迭代可視為用于執(zhí) 行所述計算的典型周期速率，但該迭代速率可以大于或小于10000周 期每秒.處理器本身可以是微處理器，可以是另一處理器的一部分， 或者可以是任何等效物.等效物包括專用集成電路(ASIC)、可編程門 陣列(PGA)、配置成執(zhí)行該功能的離散元件等.
在另一實施例中， 一種方法包括將命令從笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到具有 幅值和角度的極坐標(biāo).該方法還包括將該幅值限制在預(yù)定值以提供受 限幅值，并將該受限幅值和該角度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成笛卡爾坐標(biāo).
在又一實施例中，處理器可讀取介質(zhì)包括用于處理器的指令，以 將命令從笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到具有幅值和角度的極坐標(biāo).該處理器可讀 取介質(zhì)還包括用于該處理器的指令，以將該幅值限制在預(yù)定值并提供 受限幅值以及用于該處理器的指令，以將該受限幅值和該角度坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換成笛卡爾坐標(biāo)，
應(yīng)理解，此處所述的方法和技術(shù)可以等同地實施于包括不同類型 的同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器的控制架構(gòu)。例如，上述的圓形電壓極限和 抗積分飽和技術(shù)可以用于采用復(fù)向量電流調(diào)節(jié)器的控制架構(gòu)的情形.
盡管已經(jīng)在前述詳細(xì)描述中給出了至少一個實施例，不過應(yīng)理解，存在大量的變型.還可以理解，該一個或多個示例性實施例僅僅是示 例，而不是以任何方式限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用性或配置.相反，前 述詳細(xì)描述向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供了用于實施該一個或多個示例性實 施例的方便的路線圖.應(yīng)理解，可以在元件的功能和布置方面進行各 種改變，而不背離本發(fā)明所附權(quán)利要求書及其等同描述所限定的本發(fā) 明范圍.
權(quán)利要求
1.一種電動機控制器的控制架構(gòu)，該控制架構(gòu)包括笛卡爾坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，配置成接收同步坐標(biāo)系d軸命令電壓(Vdsr*)和同步坐標(biāo)系q軸命令電壓(Vqsr*)，并響應(yīng)于Vdsr*及Vqsr*來提供幅值坐標(biāo)和相坐標(biāo)；幅值限制器，配置成處理該幅值坐標(biāo)以在該幅值坐標(biāo)超過閾值時產(chǎn)生受限幅值，并提供該幅值坐標(biāo)或該受限幅值作為輸出幅值；以及極坐標(biāo)至笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，配置成處理該輸出幅值和該相坐標(biāo)，并基于該輸出幅值和該相坐標(biāo)產(chǎn)生箝位同步坐標(biāo)系d軸命令電壓(Vds_outr*)和箝位同步坐標(biāo)系q軸命令電壓(Vqs_outr*)。
2，如權(quán)利要求l所述的控制架構(gòu)，還包括耦合到該極坐標(biāo)至笛卡 爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器的過調(diào)制處理器，該過調(diào)制處理器配置成實現(xiàn)FT和^'的 基波分量.
3. 如權(quán)利要求2所述的控制架構(gòu)，還包括耦合在該極坐標(biāo)至笛卡 爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器和該過調(diào)制處理器之間的旋轉(zhuǎn)變換處理器，該旋轉(zhuǎn)變換 處理器配置成將C變換為靜止坐標(biāo)系命令電壓(C);以及 將《挺變換為靜止坐標(biāo)系命令電壓(C).
4. 如權(quán)利要求l所述的控制架構(gòu)，還^括耦合到該笛卡爾坐標(biāo)至 極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器的同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器，其中該同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié) 器作為命令源，該命令源為該笛卡爾坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生rr和 廣*。
5. 如權(quán)利要求4所述的控制架構(gòu)，還包括耦合到該同步坐標(biāo)系電 流調(diào)節(jié)器的變換處理器，該變換處理器配置成將多相電流測量變換成 同步d-q坐標(biāo)系測量.
6. —種電動機的逆變器的命令控制方法，該方法包括 獲得與該逆變器的命令條件相對應(yīng)的同步坐標(biāo)系d軸命令電壓(O和同步坐標(biāo)系q軸命令電壓(C);響應(yīng)于^r和^;應(yīng)用圃形電壓極限，該圃形電壓極限代表該逆變器的最大基波電壓；如果G和^:的基波電壓分量超過該逆變器的該最大基波電壓，則執(zhí)行抗積分飽和控制；以及如果FT和《的基波電壓分量不超過該逆變器的該最大基波電壓， 則忽略瞬時電壓飽和.
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中應(yīng)用該圃形電壓極限包括將rr和c從笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到具有幅值坐標(biāo)和相坐標(biāo)的極坐標(biāo)；限制該幅值坐標(biāo)以產(chǎn)生受限幅值；以及將該受限幅值和該相坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)，該笛卡爾坐標(biāo)代表 箝位同步坐標(biāo)系d軸命令電壓(《。u,)和箝位同步坐標(biāo)系q軸命令電壓(C )-
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，還包括執(zhí)行C和《^的旋轉(zhuǎn)變換 以產(chǎn)生靜止d軸命令電壓(C )和靜止q軸命令電壓(C ).
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，還包括對C和C執(zhí)行過調(diào)制以 實現(xiàn)^和《的基波電壓分量，直至該逆變器的最大基波電壓.
10. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中限制該幅值坐標(biāo)包括減小該 幅值坐標(biāo)，使得該幅值坐標(biāo)不超過該逆變器的最大基波電壓.
11. 如權(quán)利要求6所迷的方法，還包括 從該逆變器的多相電流產(chǎn)生同步d-q電流坐標(biāo)系； 獲得與該逆變器的命令條件相對應(yīng)的同步d-q命令坐標(biāo)系；以及 響應(yīng)于該同步d-q電流坐標(biāo)系和該同步d-q命令坐標(biāo)系執(zhí)行同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)，其中該同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)產(chǎn)生^T和K'.
12. —種電動機的逆變器的控制架構(gòu)，該控制架構(gòu)包括 變換處理器，配置成從該逆變器的多相電流產(chǎn)生同步d-q坐標(biāo)系； 耦合到該變換處理器的同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器，該同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器配置成從該同步d-q坐標(biāo)系并響應(yīng)于該逆變器的命令條件而 產(chǎn)生第一命令電壓(《)和第二命令電壓(C );耦合到該同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器的圃形電壓限制器，該圓形電壓 限制器配置成-.處理FT和^;限制^r和c的電壓幅值分量，使得該電壓幅值分量不超過該逆變器的最大基波電壓；以及產(chǎn)生第一箝位命令電壓(C)和笫二箝位命令電壓(C) 作為輸出；以及抗積分飽和反饋布置，耦合于該圃形電壓限制器和該同步坐標(biāo)系 電流調(diào)節(jié)器之間.
13. 如權(quán)利要求12所述的控制架構(gòu)，其中該抗積分飽和反饋布置 包括第一抗積分飽和反饋路徑，具有第一抗積分飽和增益元件用于從^r和rr，,導(dǎo)出的第一誤差信號；以及第二抗積分飽和反饋路徑，具有笫二抗積分飽和增益元件用于從 c和K:。uf導(dǎo)出的笫二誤差信號.
14. 如權(quán)利要求12所述的控制架構(gòu)，還包括耦合到該圃形電壓限 制器的旋轉(zhuǎn)變換處理器，該旋轉(zhuǎn)變換處理器配置成將^。w變換為笫一靜止坐標(biāo)系命令電壓(C);以及將C變換為笫二靜止坐標(biāo)系命令電壓(C),
15. 如權(quán)利要求14所述的控制架構(gòu)，還包括耦合到該旋轉(zhuǎn)變換處理器的過調(diào)制處理器，該過調(diào)制處理器配置成 從該旋轉(zhuǎn)變換處理器接收C和C;以及響應(yīng)于C和C實現(xiàn)C和C的基波分量，
16. 如權(quán)利要求15所述的控制架構(gòu)，其中該過調(diào)制處理器配置成產(chǎn)生第一調(diào)整電壓(^;)，該第一調(diào)整電壓具有幅值及相位與穩(wěn)態(tài)下^r^的幅值及相位匹配的基波分量；以及 該過調(diào)制處理器配置成產(chǎn)生第二調(diào)整電壓(G;)，該第二調(diào)整電 壓具有幅值及相位與穩(wěn)態(tài)下c的幅值及相位匹配的基波分量.
17. 如權(quán)利要求16所述的控制架構(gòu)，還包括耦合到該過調(diào)制處理器的逆變換處理器，該逆變換處理器配置成將FT，和K;轉(zhuǎn)換成多相正 弦表示用于該逆變器.
18. 如權(quán)利要求12所述的控制架構(gòu)，其中該圃形電壓限制器包括笛卡爾坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，配置成接收^r和《，并響應(yīng)于G和而提供該電壓幅值分量和相位分量；幅值限制器，配置成處理該電壓幅值分量，如果該電壓幅值分量 超過該逆變器的最大基波電壓則產(chǎn)生受限幅值，以及提供該電壓幅值 分量或該受限幅值作為輸出幅值分量；以及極坐標(biāo)至笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，配置成處理該輸出幅值分量和該相 位分量，以及基于該輸出幅值分量和該相位分量產(chǎn)生《。w和C.
19. 如權(quán)利要求12所述的控制架構(gòu)，其中如果該電壓幅值分量超過該逆變器的該最大基波電壓，則該抗積 分飽和反饋布置執(zhí)行抗積分飽和控制；以及如果該電壓幅值分量不超過該逆變器的該最大基波電壓，則該抗 積分飽和反饋布置忽視瞬時電壓飽和.
20. 如權(quán)利要求12所述的控制架構(gòu)，其中^:和《具有相位分量；如果該電壓幅值分量超過該逆變器的該最大基波電壓，則該圃形電壓限制器減小該電壓幅值分量并維持該相位分量；以及如果該電壓幅值分量不超過該逆變器的該最大基波電壓，則該圓 形電壓限制器維持該電壓幅值分量及該相位分量.
全文摘要
脈沖寬度調(diào)制逆變器的電流調(diào)節(jié)器的抗積分飽和控制。一種電學(xué)逆變器的控制架構(gòu)，包括實現(xiàn)為圓形電壓限制器的命令限制器。該命令限制器包括耦合到例如同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器的命令源的笛卡爾坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器。該笛卡爾坐標(biāo)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器提供d-q命令電壓的幅值和相位分量。該命令限制器還包括幅值限制器，將該幅值分量限制在該逆變器的最大基波電壓分量；以及極坐標(biāo)至笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，將該受限幅值分量和該相位分量轉(zhuǎn)換成調(diào)整的d-q命令電壓。
文檔編號H02P21/00GK101299590SQ20081008335
公開日2008年11月5日 申請日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月13日
發(fā)明者B·裵, N·R·佩特爾, S·E·舒爾茨, S·希蒂 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司