[发明专利]用于驱动包括集成调节器的电动机的逆变器

说明书

技术领域

本发明涉及电动机的驱动。更具体地，本发明涉及特别用于车辆牵引的电动机的驱动。

背景技术

已知这种电动机在定子上包括能够产生定子磁通量的磁路和电导线绕组。在同步电动机的情况下，在转子上，电动机包括永磁铁和产生转子磁通量的磁路。在异步电动机的情况下，电动机包括鼠笼形转子。在磁阻电动机（reluctant motor）的情况下，电动机包括磁阻转子。在电动车辆的许多应用中，使用同步电动机。这种电动机配备有给出转子相对于定子位置的“旋转变压器”。这种电动机总是与逆变器关联以便驱动它。

本领域的技术人员公知的是，在实践中，电动机是可反转的机器，换句话说电动机也作为交流电发生器操作。这就是为什么电动机也一般称为电机的原因。当下文提及电动机时，是出于语言简便的原因；应理解在本发明的上下文中，电机通常被包括在内，并且其作为电动机或交流电发生器两者操作。

在很多应用中，尤其在电动机车辆中，电能源是诸如电池（battery）或燃料电池（fuel cell）等直流电源。在该情况下，驱动电动机的逆变器包括将DC信号变换为具有适于电动机的操作设定值的振幅和频率的AC信号的逆变器。与电动机关联的三相逆变器的作用是在从DC电源的电动机轴输出处产生期望的机械扭矩。

在现有技术的例证中，可以引用描述了用于配备有内燃机和电动机的混合电动机车辆的电力牵引链的专利申请US2003/0088343，该电动机提供对车辆的电动机驱动的帮助。电动机本身由电池供电。至于电动机的驱动，该文献描述了基于根据电池限制功率的扭矩限制的原理。其涉及最大放电功率。还描述了用于控制放电功率的电池电流传感器和用于根据作为温度函数的功率的预建映射（map）而确定电池限制功率的电池温度传感器的使用，但是该布置不允许非常动态的调节功能。

在纯电力牵引车辆的领域中，可以引用描述了用于电池供电的电动车辆的控制器的专利US5600125。该专利提出根据电池电压对电动机的扭矩进行调节。然而，该原理不允许在诸如锂离子电池等特定类型电池情况下对电流进行很好的控制，例如锂离子电池的使用趋于增加。锂离子电池的电压实际上取决于很多因素（温度、电荷状态、老化），并且以该方式正确调节放电电流是非常有问题的。而且，在该文献的说明书中，电池的限制电压是预定的固定值，而不是根据电荷状态、温度等的趋势而更新的，因此是相当粗略的调节。

在要求高功率值的大多数应用中，使用三相机器。操作原理如下：电动机的定子磁场（由绕组中的电流产生）与转子磁场之间的相互作用产生机械扭矩。根据电源的DC电压，逆变器借助三个功率晶体管分支产生相对于转子磁场的适当振幅、适当频率和适当相位的三相电流系统，以便对电动机的三相供电。为了控制电流的振幅，逆变器具有提供关于电动机的每个相位的电流信息的电流传感器。为了控制电流的频率和相位，逆变器接收来自旋转变压器的信号，该旋转变压器测量转子相对于定子的位置。

通用控制器配备有电动机的建模模块（modelling），该电动机的建模模块提供对待产生的相位电流的准确认识以便获得期望的电动机扭矩。逆变器根据电动机的建模模块确定电动机相位电流的设定值并且通过使用其调节器而产生电动机相位电流的设定值。逆变器因此不伺服控制扭矩，而是伺服控制电动机的电流。由于逆变器与电动机的不同操作条件（电动机的温度、逆变器的温度、电缆的长度）和其制造的多样化，对于给定的电动机电流，电动机、逆变器和电缆的损耗可能发生变化。因此，不同情况下的功率和由此在电源上吸收的电流可能不同。

因此，有必要对选择为参考的逆变器-电动机系统的损耗进行建模，其中在给定温度下进行建模。温度通常选择为相当高，以便高估电动机的损耗，所述电动机的损耗是所有损耗中最依赖于温度的那些损耗。这样，对于给定的扭矩设定值，待从电流源获取的电流被高估，以确保电流不超过可以由电流源接受的电流。

可以在专利申请EP1410942中找到基于建模的调节的另一示例。该专利申请也描述了用于电池供电的电动车辆的控制器。具体地，其描述了对经由电动机驱动装置的电源电流的消耗的限制，所述限制基于电动机的建模模块，也就是说，基于根据不同参数的电动机的映射的建立。

该方法不是最佳的，这是因为很难执行足以表示在全部使用情况下的全部元素的建模。在实践中，建模产生在试验台上而不是在车辆上，或者，即使在车辆上执行建模，但是不是将其全部使用情况都包括在内，更不用说在建模中考虑部件的老化。