向多相负载提供多相电流的功率模块和方法
阅读：381发布：2020-05-15
专利汇可以提供向多相负载提供多相电流的功率模块和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种向多相负载提供多相 电流 的功率模 块 和方法。功率模块包括：逆变器 电路 ，该逆变器电路被配置成生成贡献多相电流的多个相电流并且基于多个脉冲宽度调制(PWM) 信号 生成 输出 电压 ；以及控制单元，其被配置成生成多个PWM信号以基于空间矢量调制控制多个相并且调制多相电流以生成表示输出电压的电压空间矢量且该电压空间矢量旋转通过空间矢量 坐标系 的多个PWM扇区。控制单元被配置成在零矢量 开关 时段期间调节多个PWM信号的移位模式，使得当电压空间矢量旋转通过多个PWM扇区时，移位模式对于多个PWM扇区中的所有PWM扇区是固定的。，下面是向多相负载提供多相电流的功率模块和方法专利的具体信息内容。
1.一种被配置成向多相负载提供多相电流的功率模块，包括：
逆变器电路，其被配置成通过改变多个开关器件的各自的开关状态将直流转换为所述多相电流，所述多个开关器件被配置成生成贡献所述多相电流的多个相电流，其中，所述逆变器电路基于多个脉冲宽度调制PWM信号生成输出电压；以及
控制单元，其包括耦接至所述逆变器电路的至少一个处理器，所述控制单元被配置成生成所述多个PWM信号，针对所述多相负载的每一相生成一个PWM信号，以基于空间矢量调制来控制多个相并且调制所述多相电流以生成表示所述输出电压的电压空间矢量，其中，所述电压空间矢量被配置成在所述多相电流被提供给所述多相负载时旋转通过空间矢量坐标系的多个PWM扇区，以及
其中，所述控制单元被配置成在零矢量开关时段期间调节所述多个PWM信号的移位模式，使得当所述电压空间矢量旋转通过所述多个PWM扇区时，所述移位模式对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区是固定的。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
在所述零矢量开关时段期间，所述控制单元被配置成基于所述移位模式的开关序列将所述多个PWM信号从第一零矢量值切换至第二零矢量值，所述开关序列对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区是相同的。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其中，
所述多个PWM信号包括第一PWM信号和第二PWM信号，以及
根据所述移位模式，所述控制单元被配置成在第一开关时间切换所述第一PWM信号并且在第二开关时间切换所述第二PWM信号，所述第二开关时间在所述第一开关时间之后第一时间段，
所述第一开关时间、所述第二开关时间和所述第一时间段对于所有的所述多个PWM扇区是相同的。
4.根据权利要求3所述的功率模块，其中，
所述多个PWM信号包括第三PWM信号，以及
根据所述移位模式，所述控制单元被配置成在第三开关时间切换所述第三PWM信号，所述第三开关时间在所述第二开关时间之后第二时间段，
所述第三开关时间和所述第二时间段对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区是相同的。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其中，
所述第一PWM信号与所述多个相电流的第一相电流相关联，所述第二PWM信号与所述多个相电流的第二相电流相关联，并且所述第三PWM信号与所述多个相电流的第三相电流相关联，以及
所述控制单元被配置成在所述第一时间段期间测量所述第一相电流并且在所述第二时间段期间测量所述第三相电流，并且还被配置成基于所测量的第一相电流和所测量的第三相电流来确定所述多相电流。
6.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
在所述零矢量开关时段期间，所述控制单元被配置成基于所述移位模式将所述多个PWM信号中的每一个按序列顺序从与第一零矢量相关联的第一二进制值切换至与第二零矢量相关联的第二二进制值，其中，所述序列顺序对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区是相同的。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其中，
所述移位模式包括第一开关时间与第二开关时间之间的时间段，在所述第一开关时间处，所述多个PWM信号的第一PWM信号被从所述第一二进制值切换至所述第二二进制值，在所述第二开关时间处，所述多个PWM信号的第二PWM信号被从所述第一二进制值切换至所述第二二进制值，以及
所述第一开关时间和所述第二开关时间对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区是固定的。
8.根据权利要求2所述的功率模块，其中，
所述控制单元被配置成通过使所述多个PWM信号中的至少一个PWM信号的上升沿和下降沿移位来对所述至少一个PWM信号进行时移，使得所述多个PWM信号在所述多个PWM扇区的每一个中根据所述移位模式的开关序列进行切换。
9.根据权利要求8所述的功率模块，其中，
所述逆变器电路被配置成输出多个相电压，针对所述多相负载的每一相输出一个相电压，每个相电压分别对应于所述多个PWM信号中的一个PWM信号，其中，所述多个相电压贡献所述输出电压，以及
针对经时移的至少一个PWM信号中的每一个的每个相电压的平均值在所述至少一个PWM信号被时移之前和之后是相同的。
10.根据权利要求2所述的功率模块，其中，
所述第一零矢量值对应于所述多个开关器件的接通状态，并且所述第二零矢量值对应于所述多个开关器件的关断状态。
11.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
所述逆变器电路被配置成输出多个相电压，针对所述多相负载的每一相输出一个相电压，每个相电压具有分别对应于所述多个PWM信号中的一个PWM信号的PWM波形。
12.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
所述控制单元被配置成基于所述移位模式操纵所述多个PWM信号中的至少一个PWM信号以产生至少一个相电流检测时段，并且在所述至少一个相电流检测时段中的每一个时段期间测量所述多个相电流的不同相电流；以及
所述至少一个相电流检测时段中的每一个时段对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区都处于固定的时间和时间段。
13.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述逆变器电路还包括：
分流电阻器，其设置在耦接至直流电压源的负直流链路上，以及
所述控制单元被配置成在所述零矢量开关时段期间测量通过所述分流电阻器的所述多个相电流中的至少一个相电流，并且基于所测量的至少一个相电流确定所述多相电流。
14.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
所述控制单元被配置成基于所述多相负载的负载条件从多个移位模式中选择所述移位模式。
15.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
所述多相电流是用于驱动三相电机的三相电流。
16.一种向多相负载提供多相电流的方法，所述方法包括：
通过生成贡献所述多相电流的多个相电流将直流转换为所述多相电流；
生成多个脉冲宽度调制PWM信号，针对所述多相负载的每一相生成一个PWM信号，以调节输出电压、基于空间矢量调制来控制多个相、并且调制所述多相电流以生成表示所述输出电压的电压空间矢量；
将所述多相电流提供给所述多相负载，使得所述电压空间矢量旋转通过空间矢量坐标系的多个PWM扇区；以及
在零矢量开关时段期间调节所述多个PWM信号的移位模式，使得当所述电压空间矢量旋转通过所述多个PWM扇区时，所述移位模式对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区是固定的。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述零矢量开关时段期间，基于所述移位模式将所述多个PWM信号中的每一个按序列顺序从与第一零矢量相关联的第一二进制值切换至与第二零矢量相关联的第二二进制值，其中，所述序列顺序对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区是相同的。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个PWM信号包括第一PWM信号和第二PWM信号，所述方法还包括：
根据所述移位模式，在第一开关时间切换所述第一PWM信号并且在第二开关时间切换所述第二PWM信号，所述第二开关时间在所述第一开关时间之后第一时间段，其中，所述第一开关时间、所述第二开关时间和所述第一时间段对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区是相同的。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个PWM信号包括第三PWM信号，所述方法还包括：
根据所述移位模式，在第三开关时间切换所述第三PWM信号，所述第三开关时间在所述第二开关时间之后第二时间段，
所述第三开关时间和所述第二时间段对于所述多个PWM扇区中的所有PWM扇区是相同的。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述零矢量开关时段期间测量通过分流电阻器的所述多个相电流中的至少一个相电流；
基于所测量的至少一个相电流确定所述多相电流；以及
基于所确定的多相电流控制所述多相负载。
向多相负载提供多相电流的功率模块和方法
技术领域
[0001] 本公开内容大体上涉及功率逆变器，并且更具体地，涉及用于单分流电机控制的脉冲宽度调制方案。
背景技术
[0002] 现代装置在机动车应用、消费应用和工业应用中的许多功能(如转换电能以及驱动电机或电动机)依赖于功率半导体器件。例如，举几个示例，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)和二极管已经用于各种应用，包括但不限于电源和功率转换器中的开关。
[0003] 功率半导体器件通常包括半导体结构，该半导体结构被配置成使负载电流沿着器件的两个负载端子结构之间的负载电流路径传导。此外，负载电流路径可以借助于有时被称为栅电极的控制电极来控制。例如，在从例如驱动器单元接收到相应的控制信号时，控制电极可以将功率半导体器件设置为导通状态和阻断状态之一。
[0004] 在三相电机的磁场定向控制(FOC)中，需要测量电机相电流。为了降低系统成本，一些应用仅使用置于负直流(DC)链路上的一个分流电阻器(即单个分流器)，然后使用软件来重构三相电流。使用标准空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)方案，如果两个电机相之间的接通时间(t_on) 或关断时间(t_off)太接近(下文中称为“窄脉冲”)，则单分流电流感测将无法正确感测电机电流，因为对于两个相没有足够的时间来稳定。这种限制影响电机控制性能，尤其是在电机启动期间或在低运行速度下。发明内容
[0005] 实施方式提供了一种功率模块，其被配置成向多相负载提供多相电流。功率模块包括逆变器电路，该逆变器电路被配置成通过改变多个开关器件的各自的开关状态将直流转换为多相电流，多个开关器件被配置成生成贡献多相电流的多个相电流，其中，逆变器电路基于多个脉冲宽度调制 (PWM)信号生成输出电压。功率模块还包括控制单元，该控制单元包括耦接至逆变器电路的至少一个处理器，该控制单元被配置成生成多个 PWM信号，针对多相负载的每一相生成一个PWM信号，以基于空间矢量调制来控制多个相并且调制多相电流以生成表示输出电压的电压空间矢量，其中，该电压空间矢量被配置成在多相电流被提供给多相负载时旋转通过空间矢量坐标系的多个PWM扇区。控制单元还被配置成在零矢量开关时段期间调节多个PWM信号的移位模式，使得当电压空间矢量旋转通过多个PWM扇区时，移位模式对于多个PWM扇区中的所有PWM扇区是固定的。
[0006] 实施方式提供了一种向多相负载提供多相电流的方法，该方法包括：通过生成贡献多相电流的多个相电流将直流转换为多相电流；生成多个 PWM信号，针对多相负载的每一相生成一个PWM信号，以调节输出电压，基于空间矢量调制来控制多个相并且调制多相电流以生成表示输出电压的电压空间矢量；将多相电流提供至多相负载，使得电压空间矢量旋转通过空间矢量坐标系的多个PWM扇区；以及在零矢量开关时段期间调节多个PWM信号的移位模式，使得当电压空间矢量旋转通过多个PWM扇区时，移位模式对于多个PWM扇区中的所有PWM扇区是固定的。附图说明
[0007] 本文参照附图对实施方式进行描述。
[0008] 图1A是示出根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的电机控制回路的示意性框图；
[0009] 图1B是示出根据一个或更多个实施方式的利用单分流电流感测的功率逆变器的示意图；
[0010] 图2A示出了根据一个或更多个实施方式的示出可能的开关矢量V0 至V7的表；
[0011] 图2B示出了根据一个或更多个实施方式的投影到α、β坐标系上的空间矢量和电压矢量的六边形图；
[0012] 图3示出了根据一个或更多个实施方式的投影到α、β坐标系上的空间矢量和电压矢量的六边形图以及不同输出电压矢量的示例；
[0013] 图4A是示出没有任何移位的不同PWM波形A至E(左)和具有固定移位模式SVPWM方案的不同PWM波形A至E(右)的图；
[0014] 图4B示出了针对图4A所示的每个经移位的PWM波形的在固定移位模式SVPWM方案下的所得输出电压矢量；
[0015] 图5是示出根据一个或更多个实施方式的针对PWM波形的不同可能的移位模式的图；以及
[0016] 图6是示出根据一个或更多个实施方式的t_on/t_off时间计算和PWM 输出生成的图。
具体实施方式
[0017] 在下文中，阐述细节以提供对示例性实施方式的更全面的解释。然而，对于本领域技术人员明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施方式。在其他情况下，为了避免模糊实施方式，众所周知的结构和器件以框图形式或以示意图示出而不是详细示出。另外，除非另有特别说明，否则下文描述的不同实施方式的特征可以彼此组合。
[0018] 此外，等同或相似的元件或者具有等同或相似功能的元件在以下描述中用等同或相似的附图标记表示。由于在附图中相同元件或功能等同的元件被赋予相同的附图标记，因此可以省略对具有相同附图标记的元件的重复描述。因此，对于具有相同或相似附图标记的元件提供的描述是可相互交换的。
[0019] 在该方面，可以参照所描述的附图的取向来使用如“顶部”、“底部”、“下方”、“前面”、“后面”、“背面”、“前部”、“后部”、“之下”、“之上”等的方向性术语。因为实施方式的部件可以以多个不同的取向定位，所以方向性术语用于说明的目的而绝不是限制性的。应当理解，在不脱离权利要求限定的范围的情况下，可以利用其他实施方式并且可以进行结构或逻辑变化。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
[0020] 应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”至另一个元件时，它可以直接连接或耦接至另一个元件，或者可以存在介入元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介入元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。
[0021] 在本文描述的实施方式或附图中示出的实施方式中，任何直接电连接或耦接即没有附加介入元件的任何连接或耦接也可以通过间接连接或耦接即具有一个或更多个附加介入元件的连接或耦接来实现，反之亦然，只要基本上维持连接或耦接的一般目的例如发送某种信号或发送某种信息即可。可以组合来自不同实施方式的特征以形成另外的实施方式。例如，除非有相反说明，否则关于实施方式之一描述的变型或修改也可以适用于其他实施方式。
[0022] 本文可以使用术语“基本上”来解释在不脱离本文描述的实施方式的方面的情况下在工业中被认为可接受的小制造公差(例如，在5％内)。
[0024] 信号处理电路和/或信号调节电路可以接收来自一个或更多个部件的一个或更多个信号并且对一个或更多个信号执行信号调节或处理。如本文所使用的，信号调节指的是以这样的方式操纵信号，使得信号满足下一阶段的要求以进行进一步处理。信号调节可以包括从模拟转换为数字(例如，经由模数转换器)、放大、滤波、转换、偏置、范围匹配、隔离以及使信号适于在调节之后进行处理所需的任何其他处理。
[0026] 本文使用的“功率半导体器件”可以是具有一个或更多个半导体部件 (例如晶体管)的一个或更多个芯片上的半导体器件，并且可以包括高电压阻断和/或高载流能力。换句话说，功率半导体器件可以旨在用于高电流(通常在安培范围中，例如高达几十或几百安培)和/或高电压(通常高于15V，更通常为100V和更高)。
[0027] 本说明书中描述的具体实施方式属于但不限于可以在功率转换器或电源内使用的功率半导体器件。因此，在实施方式中，功率半导体器件可以被配置成承载要被提供至负载和/或分别由电源提供的负载电流。例如，半导体器件可以包括一个或更多个有源功率半导体单元例如单片集成二极管单元和/或单片集成晶体管单元。这种二极管单元和/或这种晶体管单元可以集成在功率半导体模块中。
[0029] 例如，多相逆变器被配置成通过提供多相负载(例如三相电机)来提供多相功率。例如，三相功率包括三个对称的正弦波，它们相互之间异相 120电角度。在对称的三相电源系统中，三个导体各自承载相对于公共参考具有相同频率和电压幅度但具有三分之一周期的相位差的交流电流 (AC)。由于相位差，任何导体上的电压在其他导体之一之后的三分之一周期和在剩余导体之前的三分之一周期处达到其峰值。该相位延迟为平衡的线性负载提供恒定的功率传输。它也使得在电机中产生旋转磁场成为可能。
[0030] 在馈送平衡和线性负载的三相系统中，三个导体的瞬时电流之和为零。换句话说，每个导体中的电流在大小上与另外两个导体中的电流之和相等，但符号相反。任何相导体中的电流的返回路径是另外两个相导体。瞬时电流产生电流空间矢量。
[0031] 三相逆变器包括三个逆变器支路，针对三相中的每一相具有一个逆变器支路，并且每个逆变器支路彼此并联连接至直流(DC)电压源。每个逆变器支路包括例如以半桥配置布置的一对晶体管用于将DC转换为AC。换句话说，每个逆变器支路包括串联连接的两个互补晶体管(即，高侧晶体管和低侧晶体管)，它们彼此互补地接通和关断以驱动相负载。然而，多相逆变器不限于三相，并且可以包括两相或多于三相，其中针对每一相具有逆变器支路。
[0032] 晶体管可以包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(例如，Si MOSFET或SiC MOSFET)。尽管在下面的实施方式中可以使用IGBT作为示例，但是应当理解，MOSFET可以代替IGBT，反之亦然。在这种情况下，在本文描述的任何一个示例中，当用MOSFET代替IGBT时，MOSFET的漏极可以代替IGBT的集电极， MOSFET的源极可以代替IGBT的发射极，并且MOSFET的漏极-源极电压Vds可以代替IGBT的集电极-发射极电压Vce。因此，任何IGBT模块可以由MOSFET模块代替，反之亦然。
[0033] 图1A是示出根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的电机控制回路10的示意框图。具体地，电机控制回路10包括功率逆变器1和逆变器控制单元2。电机控制回路10进一步耦接至三相电机M，其包括三相U、V和W。功率逆变器1是三相电流发生器，其被配置成通过提供三个相电流以驱动电机M来提供三相功率。还将理解，功率逆变器1和逆变器控制单元2可以被置于同一电路板上或单独的电路板上。
[0034] 功率逆变器1包括以互补对布置的六个晶体管模块3u+、3u-、3v+、3v-、 3w+和3w-(统称为晶体管模块3)的开关阵列。每个互补对构成一个逆变器支路，其向三相电机M提供相电流。因此，每个逆变器支路包括上(高侧)晶体管模块3和下(低侧)晶体管模块3。每个晶体管模块可以包括一个晶体管并且还可以包括二极管(未示出)。因此，每个逆变器支路包括上晶体管和下晶体管。负载电流路径U、V和W从位于互补晶体管之间的每个逆变器支路的输出端(即每个半桥的输出端)延伸并且被配置成耦接至负载例如电机M。功率逆变器1耦接至DC电源4(例如电池)并且耦接至逆变器控制单元2。
[0035] 逆变器控制单元2包括用于控制开关阵列的逆变器控制电路和驱动电路。例如，逆变器控制单元2包括微控制器单元(MCU)5，该微控制器单元(MCU)5用作驱动器单元，用于生成用于控制每个晶体管模块3 的晶体管的驱动信号。因此，负载电流路径U、V和W可以由MCU 5借助于控制晶体管的有时被称为栅电极的控制电极来控制。例如，在接收到来自MCU 5的相应的控制信号时，控制电极可以将相应的晶体管设置为导通状态(即接通状态)或阻断状态(即关断状态)之一。
[0036] 逆变器控制单元2或MCU 5本身可以包括用于实现用于控制每个晶体管的状态并且最终控制在相应的负载电流路径U、V和W上提供的每个相电流的PWM方案的脉冲宽度调制(PWM)控制器、ADC、DSP和/ 或时钟源(即计时器或计数器)。
[0037] 具体地，MCU 5可以使用电机控制算法，例如磁场定向控制(FOC) 算法，其控制D轴和Q轴上的解耦电流。具体地，MCU 5使用FOC算法对输出至多相负载(例如多相电机)的每个相电流进行电流控制。可以通过在FOC控制的顶部添加速度控制回路(未示出)来进一步控制电机速度。因此，FOC可以被认为是内部控制回路，并且速度控制回路可以被认为是外部控制回路。在一些情况下，可以使用速度控制回路外部的第三控制回路(例如位置控制回路)来控制电机位置。
[0038] 在FOC期间，需要测量电机相电流使得可以确定精确的转子位置。为了实现电机相电流的确定，MCU 5可以采用使用单分流电流感测的算法(例如，空间矢量调制(SVM)，也称为空间矢量脉冲宽度调制 (SVPWM))。
[0039] 图1B是示出根据一个或更多个实施方式的利用单分流电流感测的功率逆变器1的示意图。具体地，功率逆变器1包括置于功率逆变器1的负 DC链路上的分流电阻器Rs。晶体管3u+、3u-、3v+、3v-、3w+和3w-表示为开关，并且电机M被示出为针对其相中每一相具有绕组。图1A中的MCU 5可以接收从分流电阻器Rs获得的电流的样本，然后使用算法(即软件) 来重构三相电流。
[0040] 例如，SVPWM是基于矢量控制的算法，其需要感测(三个)电机相电流。通过使用单分流电阻器Rs，以精确的时间间隔对DC链路电流脉冲进行采样。分流电阻器Rs上的电压降可以由逆变器控制单元2内的运算放大器放大并且例如向上移位1.65V。所得的电压可以由逆变器控制单元 2内的ADC转换。基于开关的实际组合，使用SVPWM算法重构电机M 的三相电流。ADC可以在PWM周期的有效矢量期间测量DC链路电流。在每个扇区中，两个相电流测量是可用的。由于三个绕组电流总和为零，因此可以计算第三个相电流值。
[0041] SVPWM本身是一种用于控制PWM的算法。它用于产生AC波形，并且可以用于使用多个D类放大器(例如晶体管)从DC源以不同的速度驱动三相AC供电的电机。虽然本文的示例是在三相电机的背景下描述的，但是示例不限于此，并且可以应用于任何多相负载方案。
[0042] 如上所述，控制功率逆变器1的开关(即晶体管)使得不存在同一逆变器支路中的两个开关都接通的时刻，否则DC电源将短路。该要求可以通过逆变器支路内的开关的互补操作来满足。这导致用于功率逆变器1的八个可能的开关矢量V0至V7，其中六个有效开关矢量和两个零矢量。
[0043] 图2A示出了根据一个或更多个实施方式的示出可能的开关矢量V0 至V7的表。具体地，该表示出了对于每个开关的开关状态，其中，字母 U、V和W表示逆变器支路，以及(+)或(-)分别表示开关处于逆变器 1的高侧还是低侧。相输出电压Vuv、Vvw和Vuw作为脉冲正弦波而变化，其中每个逆变器支路偏移120度的相位角。对于每个电压矢量，功率级(逆变器)开关中的接通/关断状态的组合以三位二进制代码进行编码。每个数字表示一个相。对于每个相，值为1表示上开关为接通且底开关为关断。值为零表示上开关为关断且底开关为接通。因此，八个可能的开关矢量表示为000、100、110、010、011、001、101和111，其中，000和 111是两个零矢量。其余的是相隔60度的六个有效开关矢量，在此期间可以测量电机相电流的电流感测。
[0044] 图2B示出了根据一个或更多个实施方式的投影到α、β坐标系上的空间矢量和电压矢量的六边形图。六边形表示总共可能的输出电压矢量区域。具体地，来自图2A所示的表的每个开关矢量以α、β坐标被定义，由于两个零矢量为零，所以没有示出两个零矢量。基于定义扇区0至5的六个扇区的六个有效开关矢量，在每个扇区中两个相电流测量是可用的，因为三个绕组电流总和为零，所以可以计算第三个相电流值。
[0045] 用ADC对DC总线电流和电压进行采样。ADC采样由MCU 5中的计时器或计数器触发并与PWM信号同步。可以将数字滤波器应用于采样的值。然后可以根据从DC链路分流电阻器获得的样本重构三相电机电流 (即电机相电流)。然后，通过FOC算法来使用构造的三相电机电流。来自MCU 5的FOC算法的输出是电机电压空间矢量，其借助于空间矢量调制变换为PWM信号。因此，MCU 5使用所确定的电机相电流来调节PWM 信号，用于在速度控制回路的情况下控制到电机的相电流和电机速度。
[0046] 通常，在禁区中，两个有效矢量中的至少一个太窄，使得ADC不能感测分流电阻器Rs两端的电压以测量DC链路电流(即感测窗口太短)。因此，当输出电压位于禁区时，在单分流电阻器Rs处可以不提取电流样本或提取仅一个电流样本。
[0047] 可以使用一个或更多个不同的SVPWM方案来确定电机相电流。例如，可以使用最小脉冲限制方案。在此，所有的窄脉冲(即，幅度调制指数低，使得采样间隔太短)被放大，使得单分流电流感测是可能的。在该方案下，输出电压被改变并且创建了SVPWM的“禁区”。图2B示出了在与有效开关矢量相邻的区域中(即，在扇区之间的过渡区域或扇区边界中)出现的禁区的位置。
[0048] 在另一SVPWM方案中，可以实现相移PWM电机控制方法。在此， SVPWM被移位以便扩大在不同相的时间t_on或时间t_off之间的脉冲宽度。也就是说，使两个PWM脉冲移位以便获得足够的用于电流采样的时间。该方法不会改变输出电压，从而改善电机启动和低速性能。然而，相矢量调制自然地导致每个扇区中的PWM模式不同地移位，使得每个扇区中的移位模式不同。跨扇区的移位模式的改变可能引起声学噪声。当DC 总线电压高或电机M以较低速度运行时，这种声学噪声更明显。因此，电机控制可能在低电机速度下受到限制，或者在低于速度阈值的电机速度下是不可能的。
[0049] 在另一SVPWM方案中，使用相移PWM电机控制方法但另外强制移位模式对于所有PWM扇区(扇区0至5)是固定的(即固定的移位模式)，使得可以减少或完全避免由模式改变引起的声学噪声。该方法也不会改变输出电压。
[0050] 当针对所有扇区固定移位模式时，将限制最大PWM(幅度)调制指数。因此，该PWM方案可能受限于不需要高输出电压的电机的启动阶段或者较低电机速度。
[0051] 当需要高于阈值的输出电压来驱动电机时，MCU 5可以被配置成切换至例如上面描述的那些的不同的PWM方案。以这种方式，可以根据需要实现更高的PWM调制指数。
[0052] 仍然，通过固定所有扇区的移位模式，可以在禁区中和/或在窄脉冲期间进行电流感测，并且可以解决在不需要高输出电压的较低电机速度下的声学噪声问题。因此，电机速度控制和反馈性能(即，基于测量的多相电流)与先前的SVPWM方案相比可以得到改善，尤其是在较低的电机速度下由于声学噪声的减少或消除(即，基本上消除了声学噪声)而得到改善，并且还可以包括在低于上述速度阈值的速度下的电机控制。
[0053] 图3示出了根据一个或更多个实施方式的投影到α、β坐标系上的空间矢量和电压矢量的六边形图以及不同输出电压矢量的示例。输出电压矢量A至E表示逆变器1的可能输出电压，包括它们的矢量位置，并且最终表示当输出电压矢量旋转通过扇区0至5时电机M的转子位置。也就是说，电压空间矢量以旋转电压输出角度旋转通过扇区。每个输出电压矢量A至E位于禁区中和/或是具有低调制指数的窄脉冲。因此，在传统PWM 方案下使用单分流电阻器Rs难以执行电流感测或不可能执行电流感测。然而，通过针对所有扇区固定移位模式，可以使用单分流电阻器Rs在禁区中和/或在窄脉冲期间进行电流感测。
[0054] 图4A是示出没有任何移位的不同PWM波形A至E(左)和具有固定移位模式SVPWM方案的不同PWM波形A至E(右)的图。左侧的每个PWM波形A至E是原始未移位的PWM波形，其包括针对每相的经调制的PWM信号。因此，每个PWM波形A至E由针对每个输出相U、V 和W的PWM输出(脉冲)形成。经移位的PWM波形A至E各自分别包括原始PWM波形A至E的一个或更多个经移位的PWM信号。
[0055] 具体地，每个PWM波形由两个有效开关矢量(例如100和110)和两个零开关矢量(即，000和111)形成，其中，输出电压矢量位于两个有效开关矢量之间。如上所述，由于输出电压矢量A至E位于禁区内，因此两个有效矢量中的至少一个太窄，使得ADC无法感测分流电阻器Rs 两端的电压以测量DC链路电流(即，感测窗口太短)。因此，可以使用固定的移位模式SVPWM方案来使这些禁区中的电流感测成为可能。
[0056] 返回至图4A，左侧的PWM波形A至E是用于获得期望的输出电压矢量而没有任何移位的原始波形，并且在图4A的右侧中示出了使用其中针对所有扇区为固定的移位模式的固定移位模式SVPWM方案的PWM波形A至E。
[0057] 图4B示出了针对图4A所示的每个经移位的PWM波形在固定移位模式SVPWM方案下的所得的输出电压矢量。对于图4A和图4B中的每个示例A至E的所得的输出电压矢量对应于图3中所示的输出电压矢量A 至E。因此，示例A至E表示可以由逆变器1基于来自MCU 5的控制生成的不同的可能输出电压(参见图3和图4B)，以及图4A中的用于实现那些输出电压的PWM波形。
[0058] 根据图4A中所示的PWM波形，每个PWM波形A至E是由表示逆变器1中的开关(即，晶体管)的开关状态的不同区域组成的模式。例如，在使用波形A的传统SVPWM方案下，开关状态从000、100、110、111、 110、100、000过渡，在PWM模式内限定六个可能的区域。
[0059] 在传统的PWM波形A下，开关状态100(即，对于100的电压矢量) 对于电流感测来说太窄。类似地，在传统的PWM波形B、C、D和E中，开关状态110(B)、101(C)、100(D)以及100和101(E)对于电流感测来说太窄。
[0060] 根据固定移位模式SVPWM方案，产生输出电压矢量A的PWM波形A的模式被移位，使得相U的上升沿向右移位以与相V的上升沿重合，并且相W的上升沿向右移位与相U的上升沿的右移位相同的量。另外，相U的下降沿与相W的下降沿类似地向右移位相同的量。因此，针对相 U、V和W中的至少一个相，一个相(例如U、V或W)的上升沿和下降沿被移位。上升沿或下降沿的每个移位对于相应的相固定在相同的量 (即，相同的时间量)处。通过这样做，每相的平均电压保持没有任何改变，因此输出电压不会改变。
[0061] 如稍后将描述的，可以使一个或更多个相U、V和/或W移位，使得在过渡时段期间对于所有PWM扇区维持相同的开关序列。这意味着可以对一个、两个、三个或更多个相进行脉冲移位。两个或更多个相可以在相同或不同的方向上移位相同的量或不同的量。例如，V相可以稍微向右移位，U相可以大幅向右移位，并且W相可以向左移位、向右移位或不移位(例如，参见图4A的示例E)。
[0062] 因此，一个相(例如U、V或W)的上升沿和下降沿的移位可以被称为脉冲移位，并且提供了足够长的窗口以便由测量分流电阻器Rs两端的电压(电流)的ADC来感测相电流。此外，通过使另一个相(例如U、 V或W)的上升沿和下降沿移位，提供了足够长的另一个窗口以便由测量分流电阻器Rs两端的电压(电流)的ADC来感测另一个相电流。在该示例A中，使U相移位允许逆变器控制单元2的ADC感测U相电流+Iu，并且W相的移位仍允许ADC感测W相电流-Iw。
[0063] 如图4A中的“XXX”所示，由于移位所以可以消除开关状态100。基于该固定移位模式，在开关状态110与100期间的时间t_on或时间t_off 之间的宽度或窗口足以执行单分流电流感测，在此期间分别测量相电流 -Iw(即对于W相)或者相电流+Iu(即对于U相)。尽管输出电压矢量A 处于禁区，但仍然能够在两个不同的电压矢量(即110和100)处测量两个相电流。
[0064] 因此，根据固定移位模式PWM方案，t_off时间(关断时间)的移位模式是相W→V→U的顺序。在该移位模式中，可用于单分流电流感测的 PWM矢量是矢量110和100，这使得可以分别感测相W和U上的电机相电流。然而，应当意识到，可以在其他移位模式下的其他有效开关矢量处执行单分流电流感测。
[0065] 在图4B中，示出了电压矢量模式，其中提供了对应于PWM波形模式的每个开关状态的电压矢量的子矢量，并且子矢量的总和(即电压矢量的总和)产生逆变器1的输出电压矢量。换句话说，PWM时段的平均矢量等于期望的输出电压矢量。
[0066] 每个子矢量具有与对应于开关状态的有效开关矢量(V0至V7)对应的方向(例如，开关状态110具有对应于矢量V2(110)的方向的子矢量)，以及与开关状态的t_on时间(接通时间)对应的大小。零开关矢量V0和 V7没有矢量方向或大小，并且在确定或影响输出电压矢量时不会产生变化。每个电压矢量模式A至E对应于图4A中所示的固定移位模式SVPWM 方案的相应PWM波形A至E。
[0067] 对于示例B至E中的PWM波形的移位模式也与PWM波形A中使用的移位模式相同(是固定的)(即对于t_off时间(关断时间)的移位模式是相W→V→U的顺序)。如图3所示，输出电压矢量A和B在扇区0中并且输出电压矢量C、D和E在扇区5中，但是用于生成每个输出电压矢量A至E的每个PWM波形采用相同的(固定的)移位模式用于相脉冲U、 V和W的关断。这种移位模式在所有扇区0至5中保持固定。
[0068] 例如，对于所有的PWM扇区，使用相同的移位模式关断逆变器相U、 V和W。在该示例中，相的t_off时间(关断时间)是W→V→U的顺序，并且在每个PWM扇区中使用该模式。此外，不仅W→V→U的移位序列相同，而且每个相移位之间的定时对于每个PWM扇区是相同的。也就是说，用于电流感测(例如用于感测电流+Iu和电流-Iw)的窗口具有相同的尺寸，并且对于ADC足以测量分流电阻器Rs两端的电压以确定电流。因此，图4A中的原始PWM波形各自以使得对于相在t_off时间(关断时间) 处实现相同的移位模式的方式移位。
[0069] 鉴于上述情况，可以说在PWM波形的接通部分(即在此期间相从0 状态过渡为1状态)或PWM波形的关断部分(即在此期间相从1状态过渡为0状态)处的移位模式对于每个PWM扇区是固定的。从0过渡为1 或从1过渡为0(即从第一零矢量过渡为第二零矢量)的时段可以被称为状态过渡时段，上升沿过渡时段、下降沿过渡时段、或者零矢量开关时段。
[0070] 还应注意，使经移位的相U、V或W的上升沿和下降沿移位相同的量(即，向右移位相同的量或向左移位相同的量)，使得每相的平均电压保持与原始PWM波形相同。这产生与原始PWM波形相同的有效输出电压，使得在执行PWM模式的移位之后输出电压矢量保持不变。
[0071] 根据固定移位模式SVPWM方案，产生输出电压矢量B的PWM波形 B的模式被移位，使得相V和W的上升沿向右移位不同的量，并且相V 和W的下降沿也向右移位等同的不同量，使得相U、V和W的关断模式 (序列)与PWM波形A的固定移位模式相同。通过这样做，每相的平均电压保持没有任何改变，因此输出电压不会改变。
[0072] 根据固定移位模式SVPWM方案，产生输出电压矢量C的PWM波形 C的模式被移位，使得相V的上升沿和下降沿向右移位相同的量，并且相 W的上升沿和下降沿向左移位相同的量，使得相U、V和W的关断模式 (序列)与PWM波形A的固定移位模式相同。通过这样做，每相的平均电压保持没有任何改变，因此输出电压不会改变。
[0073] 根据固定移位模式SVPWM方案，产生输出电压矢量D的PWM波形 D的模式被移位，使得相U和V的上升沿向右移位不同的量，并且相U 和V的下降沿也向右移位等同的不同量，使得相U、V和W的关断模式 (序列)与PWM波形A的固定移位模式相同。通过这样做，每相的平均电压保持没有任何改变，因此输出电压不会改变。
[0074] 根据固定移位模式SVPWM方案，产生输出电压矢量E的PWM波形 E的模式被移位，使得相U的上升沿和下降沿向右移位相同的量，并且相 W的上升沿和下降沿向左移位相同的量，使得相U、V和W的关断模式 (序列)与PWM波形A的固定移位模式相同。通过这样做，每相的平均电压保持没有任何改变，因此输出电压不会改变。
[0075] 可替选地，PWM波形E的移位模式可以通过使V相的脉冲稍微向右移位，使U相的脉冲大幅向右移位，并且使W相的脉冲向左移位、向右移位、或根本没有移位来形成。
[0076] 鉴于上述情况，一个、两个或所有相可以向右移位或向左移位，使得对于每个PWM波形无论输出电压矢量所在的扇区如何都实现相同(固定) 的移位模式。也就是说，开关模式(例如对于相关断或接通)对于所有SVPWM扇区是固定的。
[0077] 图5是示出根据一个或更多个实施方式的PWM波形的不同可能的移位模式的图。具体地，图5示出了用于使图4A中的PWM波形A移位的六种不同的移位模式1至6。
[0078] 根据移位模式1，相被关断(t_off时间)的模式或序列为相U→V→ W的序列顺序。因此，所有PWM扇区中的所有PWM波形可以遵循该移位模式以实现经移位的PWM波形。在此，测量相电流-Iu和+Iw以确定电机相电流。
[0079] 根据移位模式2，相被关断(t_off时间)的模式或序列为相V→U→ W的序列顺序。因此，所有PWM扇区中的所有PWM波形可以遵循该移位模式以实现经移位的PWM波形。在此，测量相电流-Iv和+Iw以确定电机相电流。
[0080] 根据移位模式3，其与图4A中使用的相同，相被关断(t_off时间) 的模式或序列为相W→V→U的序列顺序。因此，所有PWM扇区中的所有PWM波形可以遵循该移位模式以实现经移位的PWM波形。在此，测量相电流-Iw和+Iu以确定电机相电流。
[0081] 根据移位模式4，相被关断(t_off时间)的模式或序列为相U→W→ V的序列顺序。因此，所有PWM扇区中的所有PWM波形可以遵循该移位模式以实现经移位的PWM波形。在此，测量相电流-Iu和+Iv以确定电机相电流。
[0082] 根据移位模式5，相被关断(t_off时间)的模式或序列为相V→W→ U的序列顺序。因此，所有PWM扇区中的所有PWM波形可以遵循该移位模式以实现经移位的PWM波形。在此，测量相电流-Iv和+Iu以确定电机相电流。
[0083] 根据移位模式6，相被关断(t_off时间)的模式或序列为相W→U→ V的序列顺序。因此，所有PWM扇区中的所有PWM波形可以遵循该移位模式以实现经移位的PWM波形。在此，测量相电流-Iw和+Iv以确定电机相电流。
[0084] 从移位模式和所感测的(测量的)相电流可以看出，所感测的第一相电流对应于从高到低切换的序列中的第一相，以及所感测的第二相电流对应于从高到低切换的序列中的第三相(即最后一相)。
[0085] 另外，MCU 5可以基于一个或更多个系统条件或参数选择图5中所示的移位模式之一。例如，基于现有电压矢量输出或来自电机的预期需求，可能更期望一个或更多个移位模式。另外，对于PWM扇区之间的更平滑过渡，可能更期望一个或更多个移位模式。因此，MCU 5可以从六个移位模式中的一个中进行选择并控制PWM控制器以使用所选择的移位模式来在所有PWM扇区中生成输出电压矢量。
[0086] 图6是示出根据一个或更多个实施方式的t_on/t_off时间计算和PWM 输出生成的图。具体地，逆变器控制单元2，更具体地，MCU 5，可以包括PWM计数器，其用于计算和触发在PWM时段内逆变器1的每个逆变器支路的接通(t_on)时间和关断(t_off)时间。由MCU 5(例如PWM 控制器)确定和设置六个定时阈值，其包括三个接通/关断时间对，针对每个逆变器支路具有一个接通/关断时间对。
[0087] 例如，ton1和toff1表示用于U相的接通时间和关断时间，ton2和toff2 表示用于V相的接通时间和关断时间，以及ton3和toff3表示用于W相的接通时间和关断时间。当PWM计数器的波形60超过阈值时，相应的相被接通或关断。因此，由MCU 5基于MCU 5使用的所选择的移位模式来计算和配置针对每个相的接通时间和关断时间，其由MCU 5的空间矢量软件模块来实现。
[0088] 此外，MCU 5可以计算或确定用于控制PWM控制器的输出电压。由 MCU 5确定的输出电压也可以与电压输出阈值进行比较。如果输出电压满足或超过电压输出阈值，则MCU 5可以切换至不同的SVPWM方案。另一方面，如果输出电压低于电压输出阈值或降到电压输出阈值以下，则 MCU 5可以保持或切换回固定移位模式SVPWM方案。
[0089] 鉴于上述情况，单分流电流感测可以在任何电压输出角度下正确地操作，并且甚至在PWM调制指数低或接近零时正确地操作。这可以改善电机启动性能，使电机能够以较低的速度运行，并且在启动期间和低运行速度下产生较低的声学噪声。
[0090] 虽然已经描述了各种实施方式，但是对于本领域普通技术人员明显的是，在本公开内容的范围内许多更多的实施方式和实现方式是可能的。因此，除了所附权利要求及其等同物之外，本发明不受限制。关于由上述部件或结构(组件、器件、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有表示，否则即使与执行本文所示的本发明的示例性实施方式中的功能的所公开结构在结构上不等同，用于描述这些部件的术语(包括对“装置”的引用) 旨在与执行所描述的部件的指定功能的任何部件或结构(即功能上等同) 对应。
[0091] 此外，所附权利要求在此并入到详细描述中，其中，每个权利要求可以独立地作为单独的示例实施方式。虽然每个权利要求可以独立地作为单独的示例实施方式，但应注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中提及与一个或更多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例实施方式也可以包括从属权利要求与每个其他独立权利要求或从属权利要求的主题的组合。除非陈述不旨在特定组合，否则本文提出了这样的组合。此外，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求，对于任何其他独立权利要求，也旨在包括该权利要求的特征。
[0092] 还应注意，说明书或权利要求中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的每个相应动作的装置的设备来实现。
[0093] 此外，应理解，说明书或权利要求中公开的多个动作或功能的公开内容可以不被解释为在特定顺序内。因此，除非这些动作或功能由于技术原因不可互换，否则多个动作或功能的公开内容不会将这些限制于特定顺序。此外，在一些实施方式中，单个动作可以包括多个子动作或可以分成多个子动作。除非明确排除，否则可以包括这样的子动作，并且这样的子动作是该单一动作的公开内容的一部分。
[0094] 根据某些实现要求，本文提供的实施方式可以用硬件或软件实现。可以使用其上存储有电可读控制信号的数字存储介质(例如软盘、DVD、蓝光、CD、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或FLASH存储器) 来执行该实现方式，电可读控制信号与可编程计算机系统协作(或能够协作)，使得执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
[0095] 指令可以由一个或更多个处理器例如一个或更多个中央处理单元 (CPU)、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)、或其他等效的集成或分立逻辑电路系统来执行。因此，如本文所使用的术语“处理器”是指适合于实现本文所述技术的任何前述结构或任何其他结构。另外，在一些方面，可以在专用硬件和/或软件模块内提供本文描述的功能。而且，可以在一个或更多个电路或逻辑元件中充分实现这些技术。
[0096] 因此，本公开内容中所描述的技术可至少部分地以硬件、软件、固件或其任意组合来实施。例如，所描述的技术的各个方面可以在一个或更多个处理器内实现，所述处理器包括一个或更多个微处理器、DSP、ASIC 或任意其他等同的集成或分立逻辑电路、以及这种部件的任意组合。
[0097] 包括硬件的控制单元还可以执行本公开内容中描述的技术中的一种或更多种。这样的硬件、软件和固件可以在同一设备内或在单独的设备内实现，以支持本公开内容中描述的各种技术。软件可以存储在非暂态计算机可读介质上，使得非暂态计算机可读介质包括存储在其上的程序代码或程序算法，当执行程序代码或程序算法时使得计算机程序执行方法的步骤。
[0098] 尽管已经公开了各种示例性实施方式，但是对于本领域技术人员来说明显的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变和修改，这些改变和修改将实现本文公开的构思的一些优点。对于本领域的那些相当熟练的技术人员明显的是，执行相同功能的其他部件可以被适当地替换。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方式并且可以进行结构或逻辑上的改变。应该提到的是，参照特定附图解释的特征可以与其他附图的特征组合，甚至在未明确提及的那些情况下也是如此。对一般发明构思的这种修改旨在由所附权利要求及其合法等同物覆盖。
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