经过直流总线电流测量的电动机电流重建 相关申请
本发明基于并主张美国临时申请No.60/368,860的优先权，该申请提交于2002年3月28日的标题为“经过直流总线电流测量的电动机电流重建”。
【发明领域】
本发明通常涉及电动机电流反馈测量，具体言之是涉及通过测量直流总线电流获得电动机电流的计算上的重建。
背景技术
三相电动机驱动的倒相器在工业上已经为人熟知。典型地，直流总线为交流电动机的不同相提供切换能量。用于将切换指令和顺序提供给倒相器地设计方法包括使用空间矢量调制。例如，图1给出了切换矢量平面，其具有六角形顶角表示的具体的切换状态。
使用此类型的电动机控制，期望精确的测量电动机相电流以提供高性能的控制。然而，在宽的电流和温度范围内精确的测量电动机相电流往往是很困难的。例如，能够使用霍尔效应传感器，但是本质上体积庞大且昂贵。在脉宽调制(PWM)的倒相器驱动系统中，当使用非零的基本矢量时，能够通过测量直流总线电流来确定电动机相电流。每个基本矢量在PWM周期中被指定具体的时间，以生成指令电压矢量。然而，如果基本矢量仅被使用非常短的时间周期，则不能直接从直流总线电流确定电动机相电流。由于PWM倒相器驱动系统的实际执行情况导致电动机相电流缺乏可观测性。例如，A/D变换器采样和保持时间导致的时间延迟、开启期间的电压转换和其它的延迟因素阻止了观测用于短时间内的基本矢量的效果。
在图1A所示的空间矢量平面中，给出了沿着空间矢量平面部分的边界定位的不可观测的区域。在这些控制周期内不能观测电动机相电流，所以很难获得充沛的且高性能的电动机驱动。
【发明内容】
本发明提供一种根据直流总线电流重建电动机电流的算法。使用该重建算法，电动机相电流的不可观测操作被限制在很小的范围内。两相空间矢量调制使得基本矢量的可观测效果的最小时间得以减少。在实际应用中，涉及到不可观测性的时间限制被切成一半。通过减小此最小时间，用于按照此技术测量相电流的可利用时间被加倍。当电压矢量角大于30度时，零矢量111用于替代000。通过使用不用的零矢量将切换状态脉冲时间最大化。
当使用两相空间矢量调制时，电动机电流超过某阈值水平，不需要插入死区时间(dead time)并且能够进一步减小时间限制。
当指令电压落入不可观测范围时，根据PWM周期中生成的两个矢量形成指令电压矢量。一个生成的矢量是相位等于30度，幅值等于两倍不可观测部分的宽度的电压矢量。使用此矢量确保了三个电动机相电流中的两个的可观测性。添加第二矢量以形成落于不可观测范围的合成指令电压矢量。两个组合矢量的时间平均值等于指令电压矢量的时间平均值。使用两个矢量的组合使得控制器运行周期将被减半。
【附图说明】
下面将参照具有适当参考指示符的附图详细说明本发明，其中：
图1A给出了具有传统的不可观测区域的电压空间矢量平面；
图1B给出了按照本发明的修改的电压空间矢量平面；
图2给出了通过两相交换的减小的不可观测区域；
图3给出了依照本发明的电流采样技术；以及
图4给出了插入已知的电压矢量以获得参考指令电压矢量。
【具体实施方式】
本发明提供一种算法用于根据直流总线电流的测量重建三相电动机电流信息。如图1B所示的电压空间矢量平面10含有靠近扇区边界的不可观测区域。依照本发明，生成具有减小的不可观测区域的电压空间矢量平面11。
参照图2(a)，传统的三相倒相器提供三相电压空间矢量PWM调制。在图2(b)中，使用两相电压空间矢量PWM能够形成同样的指令电压，如交换图21所示。依照两相矢量调制，不可观测的最小时间限制被切成一半。
在两级PWM倒相器驱动系统中，能够产生8种可能的基本电压矢量，通过8种基本电压矢量能够形成任何预期的指令电压矢量。由于通过如直流总线电压水平确定，预期的指令电压矢量受到倒相器最大输出电压的限制。在PWM倒相器驱动系统中，当使用非零基本矢量时，能够从直流总线电流确定电动机相电流信息。在PWM周期中为每个基本矢量指定具体的时间，以生成指令电压矢量。如果指令电压矢量仅被使用很短的时间周期，则不能从直流总线电流观测电动机电流。时间限制的简短来自与A/D变换相关的时间延迟，其除了设备开启时导致的电压转换之外，还包括采样和保持时间。在图1所示的电压空间平面中形成不可观测区域的正是此时间限制。
再次参照图2(a)，在扇区1的不可观测区域种显示了指令电压矢量。在此例子中，在PWM周期Tpwm中电动机的所有三个相被PWM驱动。在PWM周期Tpwm中全部时间T2出现在不同的点。
参照图2(b)，通过使用两相电压空间矢量调制减小了不可观测区域。通过图2(b)中的两相PWM能够形成相同的指令电压，如被形成在图2(a)的系统中一样。然而，在两相电压空间矢量调制中，不可观测的时间限制周期被切成一半。全部时间T2位于一个点。因此，用于测量电流的可利用时间被加倍。当电压角度大于30度时，零矢量111用于替代零矢量000以减小T1时间。
使用两相电压空间矢量调制，能够使时间限制的进一步减少。当电动机电流高于给定的阈值时，排除了插入死区时间的需要。典型地，时间限制能够按下面所示的被写成最小时间：
Tmin＝Td+T(dv/dt)+T(A/D)
其中：
T(A/D)A/D变换器采样/保持时间
T(dv/dt)电能切换设备转换时间
因此，当Td等于0时，Tmin相应减小。
现在参照图3，每个PWM周期内直流总线电流被采样三次。在图3中，但是在不同的时间场合，采样idc1和idc3来自相同的电动机相。基于图3中所示的公式计算电流采样idc1和idc3，以为计时同步提供采样idc2。
现在参照图4，表40给出了已知电压矢量的插入。插入电压矢量用于形成指令电压矢量Vref。当指令电压在不可观测的扇区带内时，在PWM周期内生成的两个矢量形成指令电压矢量。电压矢量V1相位等于30度，幅值等于两倍的不可观测扇区宽度A。通过按照这些约束形成矢量V1，确保了两个电动机相电流的可观测性。将矢量V2加到矢量V1以形成合成指令电压矢量Vref。如图4所示，V1的时间平均值减去V2等于Vref的时间平均值。通过形成具有矢量V1和矢量V2的指令电压矢量，当指令电压进入不可观测扇区时，控制器运行周期被减半。
尽管已经涉及具体的实施例说明了本发明，但是对于本领于技术人员来讲，许多其它的变化和修改以及其它的用途将变得显而易见。因此，首选的，本发明并不由此处的具体公开限制，而是由所附的权利要求所限制。