CN102624327A - 逆变器单元 - Google Patents

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Abstract

两相调制控制逆变器单元包括多个开关设备、分路电阻器和控制器。开关设备驱动三相电动机。分路电阻器连接在直流电源与开关设备之间。控制器在读取周期中读取施加给分路电阻器的电压、基于所读取的电压计算指令电压，并且将指令电压和载波信号用于计算三个控制信号。读取周期对应于每个载波信号的两个或多个信号周期。每个控制信号具有针对相应的载波信号的每个信号周期的脉冲。控制器将读取周期中的每个控制信号的多个脉冲集成到一个或多个脉冲中。控制器在下一读取周期中在输出所集成的一个或多个脉冲时读取施加给分路电阻器的电压。

Description

逆变器单元
技术领域
本发明涉及一种驱动三相电动机的逆变器单元。
背景技术
日本未审专利申请公开No.2005-192358公开了一种两相调制控制逆变器单元，作为驱动三相电动机的逆变器单元。该两相调制控制逆变器单元通过如下方式驱动三相电动机：基于根据施加给分路电阻器的电压计算的、流过三相电动机的U相、V相和W相的电流来估计三相电动机的角位置(或者转子的电角度)，基于所估计的角位置将发送交变电流至三相的任意两相的开关设备切换为开和关，并且也将发送交变电流给第三相的开关设备保持为开或关状态。
与其中所有三相的开关设备均被切换为开和关的三相调制控制逆变器单元相比，该两相调制控制逆变器单元可以减小开关损耗。
然而，例如，在需要低电压的、用于三相电动机的两相调制控制逆变器单元的情况下，当两相调制控制逆变器单元低速驱动三相电动机时，三相中的两相的开关设备为开的时间减少，并且因此电流流过分路电阻器的时间也减少。在例如为CPU的控制电路读取施加给分路电阻器的电压的读取周期中，如果将开关设备切换为开的控制信号的脉冲宽度小于与足以使控制电路读取施加给分路电阻器的电压的时间相对应的脉冲宽度，则控制电路不能读取电压，这会使得三相电动机的控制能力劣化。
当将开关设备切换为开的控制信号的脉冲宽度小于与足以使控制电路在上述读取周期中读取施加给分路电阻器的电压的时间相对应的脉冲宽度时，需要在下一电压读取周期中增加将开关设备切换为开的控制信号的脉冲宽度。参考图8，当施加给分路电阻器的电压的读取周期是用于脉宽调制(PWM)控制的载波信号的信号周期的三倍大时，并且也当在输出在载波信号的第三信号周期被计算的、用于U相的控制信号的脉冲时读取所述电压时，需要使得在载波信号的第三信号周期计算的脉冲宽度大于另外两个信号周期的脉冲宽度。
然而，当将开关设备切换为开的控制信号的脉冲宽度在下一电压读取周期中增加时，开关设备在不必要地长的时间被切换为开，这会使得三相电动机的控制能力劣化。
发明内容
本发明旨在于提供一种通过如下方式驱动三相电动机的逆变器单元：将三相中的两相的开关设备切换为开和关，并且也将第三相的开关设备保持为开或关，从而防止三相电动机的控制能力劣化。
根据本发明的一个方面，逆变器单元包括分路电阻器、控制器和多个开关设备。开关设备被切换为开和关，以将直流电源的输出转换为彼此异相的三个交变电流，从而驱动三相电动机。分路电阻器连接在直流电源与开关设备之间。控制器设置用于当开关设备被切换为开时在读取周期中读取施加给分路电阻器的电压，基于所读取的电压计算流过三相电动机的三相的电流，也基于所计算的电流计算指令电压，并且使用指令电压和用于脉宽调制控制的载波信号来计算三个控制信号，这些控制信号中的两个控制信号将连接至三相电动机的三相中的两相的开关设备切换为开和关，并且这些控制信号中的第三个控制信号将连接至三相电动机的三相中的第三相的开关设备保持为开或关。读取周期对应于每个载波信号的两个或更多个信号周期。每个控制信号具有针对相应的载波信号的每个信号周期的脉冲。控制器将读取周期中的每个控制信号的多个脉冲集成到一个或多个脉冲中。在下一读取周期中，控制器在输出所集成的一个或多个脉冲时读取施加给分路电阻器的电压。
从结合附图进行的以下描述中可明显看到本发明的其他方面和优点，其中附图以示例方式示出了本发明的原理。
附图说明
可以通过参考下面对于当前优选实施例的描述结合附图来最佳地理解本发明及其目的和优点，其中：
图1是示出根据本发明实施例的逆变器单元的示意性配置图；
图2是示出用于PWM控制的U相、V相和W相指令电压的电平的图；
图3是示出U相与地(GND)之间的电压的图；
图4是示出逆变器单元的控制电路的操作的流程图；
图5是示出发送给逆变器单元的U相开关设备的控制信号的图；
图6是示出根据该实施例的修改方案的逆变器单元的控制电路的工作的流程图；
图7是示出发送给根据该修改方案的逆变器单元的U相开关设备的控制信号的图；
图8是示出发送给根据背景技术的逆变器单元的U相开关设备的控制信号的图。
具体实施方式
下面将参考附图描述根据本发明的实施例的逆变器单元。参考图1，以附图标记1标识的逆变器单元将直流电源2的输出转换为三个彼此异相120°的交变电流，从而驱动三相电动机3。逆变器单元1包括：具有并联连接的二极管的如MOSFET或IGBT的开关设备4-9，分路电阻器10和用作本发明的控制器的控制电路11。
开关设备4和5彼此串联连接，并且与直流电源2并联连接。开关设备4和5之间的连接点连接至三相电动机3的U相。开关设备6和7彼此串联连接，并且与直流电源2并联连接。开关设备6和7之间的连接点连接至三相电动机3的V相。开关设备8和9彼此串联连接，并且与直流电源2并联连接。开关设备8和9之间的连接点连接至三相电动机3的W相。
分路电阻器10连接在直流电源2的负端子与开关设备5、7和9的相应连接点之间。控制单元11对于每个读取周期Tr读取施加给分路电阻器10的电压Vs，基于所读取的电压Vs计算流过三相电动机3的相应相的电流，基于所计算的电流来计算三相电动机3的角位置(或者转子的电角度)，并且基于三相电动机3的所计算的角位置和三相电动机3的期望速度来计算三相电动机3的U相、V相和W相指令电压。
使用所计算的指令电压和用于PWM控制的载波信号，控制电路11产生将U相的开关设备4和5切换为开和关的控制信号Su、将V相的开关设备6和7切换为开和关的控制信号Sv以及将W相的开关设备8和9切换为开和关的控制信号Sw。例如，当控制信号Su在高电平，开关设备4被切换为开并且开关设备5被切换为关时，控制电路11基于所读取的电压Vs计算流过三相电动机3的U相的电流，并且，当控制信号Sv在高电平，开关设备6被切换为开并且开关设备7被切换为关时，还基于所读取的电压Vs计算流过三相电动机3的V相的电流。控制电路11基于所计算的流过U相和V相的电流来计算流过W相的电流。每个控制信号均具有针对相应的载波信号的每个信号周期的脉冲。
在控制电路将在图2中示出的U相、V相和W相指令电压用于PWM控制的情况下，当三相电动机3的角位置在120°至240°的范围中时，当开关设备6-9被切换为开和关时开关设备4和5保持为开或关。因为开关设备4和5的切换操作随着三相电动机3的角位置在120°至240°的范围内而停止，所以在U相与地(GND)之间的电压是地电势，如图3中所示。
参考图4中示出控制电路11的操作的流程图，首先在步骤S1，控制电路11在读取周期Tr中读取施加给分路电阻器10的电压Vs，并且在步骤S1如上面描述那样基于所读取的电压Vs计算对应于三相电动机3的相应相的指令电压。
在下一步骤S2，控制电路11使用在步骤S1计算的指令电压和用于PWM控制的载波信号，从而计算三个控制信号Su、Sv和Sw，这些控制信号中的两个控制信号将三相电动机3的任意两相的开关设备切换为开和关，并且，这些控制信号中的第三个控制信号将三相电动机3的第三相的开关设备保持为开或关状态。
在下一步骤S3中，控制电路11确定在步骤S2计算并且用于将其相应的开关设备切换为开和关的控制信号Su、Sv和Sw中的任意两个的脉冲宽度是否大于或者等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间对应的控制信号的脉冲宽度。
如果在步骤S3是“是”，或者如果将两相的开关设备切换为开和关的控制信号的脉冲宽度大于或者等于对应于足以使控制电路11读取电压Vs的时间的控制信号的脉冲宽度，则在步骤S4，控制电路11将在步骤S2计算的控制信号Su、Sv和Sw如其本身那样在下一读取周期Tr中发送给开关设备4-9。
如果在步骤S3是“否”，或者如果将两相的开关设备切换为开和关的控制信号的脉冲宽度小于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度，则在步骤S5，控制电路11将把两相的开关设备切换为开和关的每个控制信号的多个脉冲在读取电压Vs时集成到一个或多个脉冲中。
然后，在步骤S6，控制电路11确定在步骤S5集成的一个或多个脉冲的宽度是否大于或等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度。如果在步骤S6是“否”，或者如果在步骤S5集成的一个或多个脉冲的宽度小于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度，则在步骤S7，控制电路11将在步骤S5集成的一个或多个脉冲扩宽为使得这些脉冲宽度大于或等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度。然后，在步骤S8，在下一读取周期Tr控制电路11仅仅将扩宽的所集成的一个或多个脉冲发送给相对应的开关设备。控制电路11在输出扩宽的所集成的一个或多个脉冲时读取电压Vs。
如果在步骤S6是“否”，或者如果在步骤S5集成的一个或多个脉冲的宽度小于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度，则控制电路11可以将在步骤S5集成的一个或多个脉冲扩宽为使得这些脉冲宽度等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度。
另一方面，如果在步骤S6是“是”，或者如果在步骤S5集成的一个或多个脉冲的宽度大于或等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度，则在步骤S8，控制电路11在下一读取周期Tr中仅仅将在步骤S5集成的一个或多个脉冲发送给相对应的开关设备。控制电路11在输出在步骤S5集成的一个或多个脉冲时读取施加给分路电阻器10的电压。
例如，如图5所示，假设一个读取周期Tr对应于载波信号的三个信号周期，并且在输出在载波信号的第三个信号周期计算的控制信号Su的脉冲时读取施加给分路电阻器10的电压。
在该情况下，如果在载波信号的第三信号周期计算的控制信号Su的脉冲宽度小于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间对应的控制信号的脉冲宽度，则在载波信号的第一信号周期计算的控制信号Su的脉冲和在载波信号的第二信号周期计算的控制信号Su的脉冲与在载波信号的第三信号周期计算的控制信号Su的脉冲集成。在下一读取周期Tr中，抑制在载波信号的第一和第二信号周期计算的控制信号Su的脉冲的生成，并且输出所集成的脉冲。
如果所集成的脉冲的宽度小于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度，则所集成的脉冲在下一读取周期Tr进一步扩宽为使得这些脉冲宽度大于或等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度。在下一读取周期Tr中，抑制在载波信号的第一和第二信号周期计算的控制信号Su的脉冲的生成，并且输出进一步扩宽的集成的脉冲。
在载波信号的第二和第三信号周期计算的控制信号Su的脉冲可以与在载波信号的第一信号周期计算的控制信号Su的脉冲集成。在载波信号的第一和第三信号周期计算的控制信号Su的脉冲可以与在载波信号的第二信号周期计算的控制信号Su的脉冲集成。读取周期Tr的宽度可以对应于载波信号的两个或三个信号周期。
在载波信号的第一信号周期计算的控制信号Su的脉冲可以划分为两个部分，其中一个部分与在载波信号的第二信号周期计算的控制信号Su的脉冲集成，并且其中另一部分与在载波信号的第三信号周期计算的控制信号Su的脉冲集成。在该情况下，抑制在下一读取周期Tr中在载波信号的第一信号周期计算的控制信号Su的脉冲的生成。在载波信号的第二信号周期计算的控制信号Su的脉冲可以划分为两个部分，其中一个部分与在载波信号的第一信号周期计算的控制信号Su的脉冲集成，并且其中另一部分与在载波信号的第三信号周期计算的控制信号Su的脉冲集成。在该情况下，抑制在下一读取周期Tr中在载波信号的第二信号周期计算的控制信号Su的脉冲的生成。
在上面描述的逆变器单元1中，当控制信号的脉冲宽度小于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度时，将两相的开关设备切换为开和关的每个控制信号的脉冲被集成到一个或多个脉冲中。在输出所集成的一个或多个脉冲时读取下一读取周期Tr中的电压Vs。
根据本实施例的逆变器单元1，即使操作三相电动机3所需的电压减小并且脉冲宽度也减小，相应地避免了施加给分路电阻器10的电压不可读。此外，防止了在下一读取周期Tr中每相的开关设备被切换为开过长的时间。因此，防止了三相电动机3的控制能力劣化。
当逆变器单元1用于驱动设置在热泵的压缩机中的三相电动机时，该三相电动机可以在减小其在两相调制控制情况下的开关损耗或热生成的同时被驱动。因此，如果以低速驱动三相发动机来减小制冷剂流动，则减小了逆变器单元1的温度上升。因此，防止了由于温度上升导致的热泵的关断，因此可以在维持三相电动机的控制能力的同时在较宽的范围中操作热泵。
如果控制电路11确定将两相的开关设备切换为开和关的控制信号的脉冲宽度大于或等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度，或者，如果在图4的流程图中在步骤S3是“是”，则可以如此操作控制电路11使得当设置在逆变器单元1中的温度传感器检测的温度是阈值水平Tth1或更高时，在图5中所示的脉冲的载波信号的第一信号周期计算的控制信号的脉冲被划分为两个部分，其中一个部分与在载波信号的第二信号周期计算的控制信号的脉冲集成并且其中另一部分与在载波信号的第三信号周期计算的控制信号的脉冲集成，并且抑制在载波信号的第一信号周期计算的控制信号的脉冲的生成。通过这样控制，减小了逆变器单元1的开关损耗。此外，还可以如此操作控制电路11使得当设置在逆变器单元1中的温度传感器检测的温度处于或者高于比阈值水平Tth1高的阈值水平Tth2时，在图5中所示的脉冲的载波信号的第一和第二信号周期计算的控制信号的脉冲与在载波信号的第三信号周期计算的控制信号的脉冲集成，并且抑制在载波信号的第一和第二信号周期计算的控制信号的脉冲的生成。通过这样控制，进一步减小了开关损耗。
参考图6，该流程图示出了控制电路11的修改后的操作。在步骤S1-S6处执行的操作与在步骤S6的“否”之后的操作与图4所示的对应操作基本相同，将省略这些操作。
如果控制电路11确定在步骤S5中集成的一个或多个脉冲的宽度大于或等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度，或者，如果在步骤S6是“是”，则控制电路11将在步骤S5中集成的一个或多个脉冲缩窄为使得这些脉冲的宽度等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度。在步骤S9，控制电路11将与在步骤S5中集成的一个或多个脉冲的宽度与对应于足以使控制电路11读取电压Vs的时间的控制信号的脉冲宽度之间的差相对应的脉冲设置为：要在下一读取周期Tr中的、所缩窄的集成的一个或多个脉冲被输出的信号周期之外的载波信号的信号周期中被输出的脉冲。控制电路11在步骤S8在下一读取周期Tr中将对应于上述差的脉冲以及所缩窄的集成的一个或多个脉冲发送给其相应的开关设备，并且在输出所缩窄的集成的一个或多个脉冲时读取电压Vs。
例如，假设一个读取周期Tr对应于载波信号的三个信号周期，并且在输出在载波信号的第三信号周期计算的控制信号Su的脉冲时读取施加给分路电阻器10的电压，如在图7中所示那样。
在这种情况下，如果在步骤S5集成的一个或多个脉冲的宽度大于或等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度，与在步骤S5中集成的一个或多个脉冲的宽度与对应于足以使控制电路11读取电压Vs的时间的控制信号的脉冲宽度之间的差相对应的脉冲被划分为两个部分，其中一个部分被设置为在载波信号的第一信号周期计算的脉冲，并且，其中另一部分被设置为在载波信号的第二信号周期计算的脉冲。在步骤S5集成的一个或多个脉冲被缩窄为使得脉冲宽度等于与足以使控制电路11读取电压Vs的时间相对应的控制信号的脉冲宽度，并且该脉冲被设置为在载波信号的第三信号周期计算的脉冲。
通过这样操作控制电路11，防止了三相电动机3的控制能力劣化，如在控制电路11的操作根据图4中的流程图来执行的情况中那样。尽管在上述实施例中流过三相电动机3的每相的电流基于施加给单个分路电阻器10的电压来计算，然而连接在直流电源2与开关设备4-9之间的分路电阻器的数目可以为两个或更多。

Claims (4)

1.一种逆变器单元(1)，包括：
多个开关设备(4-9)，所述开关设备被切换为开和关，以将直流电源(2)的输出转换为三个彼此异相的交变电流，从而驱动三相电动机(3)；
分路电阻器(10)，所述分路电阻器连接在直流电源(2)与所述开关设备(4-9)之间；以及
控制器(11)，所述控制器用于当所述开关设备(4-9)被切换为开时在读取周期(Tr)中读取施加给分路电阻器(10)的电压(Vs)，基于读取的电压(Vs)计算流过三相电动机(3)的三相的电流，还基于所计算的电流计算指令电压，并且使用指令电压和用于脉宽调制控制的载波信号来计算三个控制信号(Su，Sv，Sw)，所述三个控制信号中的两个将连接至三相电动机(3)的三相中的两相的开关设备(4-9)切换为开和关，并且所述三个控制信号中的第三个控制信号将连接至三相电动机(3)的三相中的第三相的开关设备(4-9)保持为开或关，
其特征在于，
所述读取周期(Tr)对应于每个载波信号的两个或更多个信号周期，其中每个控制信号(Su，Sv，Sw)具有针对所述读取周期(Tr)中的相对应载波信号的每个信号周期的脉冲，其中所述控制器(11)将所述读取周期(Tr)中的每个控制信号(Su，Sv，Sw)的多个脉冲集成到一个或多个脉冲中，其中，所述控制器(11)在下一读取周期(Tr)中在输出所集成的一个或多个脉冲时读取施加给分路电阻器(10)的电压(Vs)。
2.根据权利要求1所述的逆变器单元(1)，其特征在于，如果将所述开关设备(4-9)切换为开的控制信号(Su，Sv，Sw)的脉冲宽度小于与足以使控制器(11)读取施加给分路电阻器(10)的电压(Vs)的时间相对应的控制信号(Su，Sv，Sw)的脉冲宽度，则控制器(11)将所述读取周期(Tr)中的每个控制信号(Su，Sv，Sw)的多个脉冲集成到一个或多个脉冲中，其中，所述控制器(11)在下一读取周期(Tr)中在输出所集成的一个或多个脉冲时读取施加给分路电阻器(10)的电压(Vs)。
3.根据权利要求1所述的逆变器单元(1)，其特征在于，如果所集成的一个或多个脉冲的宽度小于与足以使控制器(11)读取施加给分路电阻器(10)的电压(Vs)的时间相对应的控制信号(Su，Sv，Sw)的脉冲宽度，则控制器(11)将所集成的一个或多个脉冲扩宽为使得所集成的一个或多个脉冲的宽度大于或等于与足以使控制器(11)读取施加给分路电阻器(10)的电压(Vs)的时间相对应的控制信号(Su，Sv，Sw)的脉冲宽度。
4.根据权利要求1所述的逆变器单元(1)，其特征在于，如果所集成的一个或多个脉冲的宽度大于与足以使控制器(11)读取施加给分路电阻器(10)的电压(Vs)的时间相对应的控制信号(Su，Sv，Sw)的脉冲宽度，则控制器(11)将所集成的一个或多个脉冲缩窄为使得所集成的一个或多个脉冲的宽度等于与足以使控制器(11)读取施加给分路电阻器(10)的电压(Vs)的时间相对应的控制信号(Su，Sv，Sw)的脉冲宽度，其中所述控制器(11)将对应于所集成的一个或多个脉冲的宽度与对应于足以使控制器(11)读取施加给分路电阻器(10)的电压(Vs)的时间的控制信号(Su，Sv，Sw)的脉冲宽度之间的差的脉冲设置为：要在下一读取周期(Tr)中的、被缩窄的集成的一个或多个脉冲被输出的信号周期之外的载波信号的信号周期中被输出的脉冲，其中所述控制器(11)在下一读取周期(Tr)中将对应于所述差的脉冲发送给相对应的开关设备(4-9)。
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