CN100456621C - 无刷电机控制中的相位超前角优化 - Google Patents

Abstract

公开一种多相永磁电机控制系统，该系统具有一个产生控制信号的控制器，产生的控制信号激励每相绕组。控制器包括电流值计算器和相位超前优化电路。其中，电流值计算器用于确定相位上超前反向电动势一个相位超前角的相电流值；相位超前优化电路用于产生优化的相位超前角的值，这样可以使电机输出转矩最大，而相电流最小。相位超前优化电路确定电机每一相的优化相位超前角。

Description

无刷电机控制中的相位超前角优化

相关申请

本申请的主题与下列待批的美国申请有关，这些待批申请的美国申请号是：Maslov等在2001年4月5日申请的09/826423、Maslov等在2001年4月5日申请的09/826422、Maslov等在2001年10月1日申请的09/966102、Pyntikov等在2001年11月27日申请的09/993596、Maslov等在2002年6月19日申请的10/173610，这些待批申请号全部共同属于本申请。这些申请所公开的内容作为参考被包含在本文中。

技术领域

本发明涉及旋转电动机，更具体地，涉及控制无刷永磁电机的相位超前角优化方法。

背景技术

上面提到的待审批申请描述了发展高效电机驱动的挑战性。电机绕组的电子控制脉冲激励为电机特性的更加灵活管理提供了前景。通过控制脉冲的宽度、占空比以及将电池电源的切换应用到适当的定子绕组，可以实现功能多样性。采用伴随绕组的永磁体对于限制电流损耗是很有利的。

在车辆驱动环境中，极其需要能在一个宽范围内实现平滑运行，同时用最小的功能维持电机的高转矩输出能力。待批准的专利申请中描述的电机结构都致力于这些目标。将电磁铁芯段配置成环形的隔离的导磁结构，从而提供增加的磁通密度。对电磁铁芯段之间进行隔离允许单个电磁铁芯在磁性铁芯上形成单个磁通密度，并且产生很小的磁通损耗或者有害的互感效应，有害的互感效应是由于与其它电磁体之间的互感引起的。

无刷电机应用中的精确控制性能包含融合与电流反馈部件连接的非线性前馈补偿。然而，前馈补偿表达式通常对各种电路参数具有很大的倚赖性，例如相电阻、相自感等等，图1例举的单个电机相的等效电路图描述了这些参数。V_i(t)表示每相的电压输入，R_i表示每相的绕组电阻，L_i表示每相的自感。E_i(t)表示施加在电机每相上的反向反电动势电压，其可用下面的表达式近似表示，

E_i(t)＝(K_eiω)sin(N_rθ_i)

这里K_ei表示每相的反向电动势系数，ω(t)表示转子速度，Nr表示永磁体的对数，θ_i(t)表示第i相绕组和转子参考位置间的相对位移。

电压V_i(t)可以用下面的等式定义：

$V_i\left(t\right)=E_i\left(t\right)+R_i{I}_i\left(t\right)+L_i\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_i\left(t\right)$ i＝1，2，...N_s

这里

V_i(t)是绕组电压；

I_i(t)是相电流；

R_i是绕组电阻；

E_i(t)是反向电动势；

L_i是绕组自感；

N_s是定子相绕组的数量。

电压V_i(t)由经调整的具有受限电压的DC电源提供。因为反向电动势正比于电机速度，所以当速度大于特定值时相电流I_i(t)存在极值。

假设：气隙中的磁通按照正弦曲线分布，反向电动势和相电流的稳态特性可用下面的表达式定义：

E_i(t)＝E_isin(θ_i(t))＝K_eiωsin(N_rωt+Δ_i)

I_i(t)＝I_isin(θ_i(t))＝I_isin(N_rωt+Δ_i)        i＝1，2，...N_s

平均总转矩为

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{\τi}}{I}_i$

这里，

N_r是永磁体极对数；

K_ei是反向电动势系数；

Ω是电机速度；

Δ_i是依电机几何结构的补偿角；

是平均总转矩输出；

K_ri是转矩系数。

因此，转矩输出也受电源限制。一种相位超前控制技术已经被用来拓宽受最大电源电压限制的运行速度范围。使电枢电流的相位角超前于反向电动势，而不是形成与反向电动势同相的正弦电枢电流(或相电流)。

例如，Henry等的美国专利6373211描述了一种拓宽正弦激励永磁电机运行速度范围的方法。该方法利用相位超前技术实现了对运行速度范围的拓宽，并减少了相电流。通过控制电流矢量和反向电动势矢量之间的相位超前角α来提供拓宽的速度范围。一组预先计算的表格用来存储不同速度时的不同转矩值。根据转矩指令和测得的速度来计算电流相位超前角。

然而，Henry等提出的技术没有提供优化的相位超前角的值，以用最小的相电流获得最大的转矩输出。相反地，该专利公开了设置最大输出转矩T_max。因此，读出了速度ω以及所需或者要求转矩T_cmd。在速度等于ω时，如果要求转矩T_max比能够得到的最大转矩大，那么就减小要求转矩T_max。可以计算相位超前角，以获得降低的要求转矩T_cmd的值。因此，在减小相电流的情况下，现有技术中采用的相位超前技术可为实现拓宽运行速度提供相位超前角。然而，现有技术并没有教导相位超前角和相电流幅值的最优化以使功率损耗最小化。

在车辆驱动环境中，其中，可用功率仅限于车内电源，极其需要用最小的功耗得到高的转矩输出能力。待批准的专利申请中描述的电机结构都致力于这些目标。如这些申请描述的那样，将电磁铁芯段配置成环形的隔离的导磁结构，从而提供增加的磁通密度。对电磁铁芯段之间进行磁隔离允许在磁性铁芯上形成单个磁通密度，并且产生很小的磁通损耗或者有害的互感效应，有害的互感效应是由于与其它电磁体之间的互感引起的。

因此，需要对相位超前优化，使电机以最小的功耗传递更大的转矩输出。

此外，普通的相位超前技术没有提供多相电机中每一相的相位优化方法。然而，由于机械/加工误差和其它结构特点引起的现象，对于每个电路元件，每个电机的相位将表现为在一个范围内的值。可以影响电路参数值的因数包括：电磁铁铁芯的净磁链、铁芯电感相对于电路的波动、由于诸如横截面、绕组绷紧程度等加工误差引起的相绕组电阻变化、铁芯的磁导率(与材料等级和材料的加工、完工历史有关)、相绕组工艺(均匀缠绕或者杂乱缠绕)或者每个定子线圈的构造质量、电磁铁和永磁体的插入位置(即磁路的磁导)、气隙中磁通密度的差异性，其倚赖于永磁体转子磁体组件、残留磁通密度、由于外部磁场引起的偏磁场、线圈形状(长方形、环形、或者螺旋形)、线圈达到的绕组参数、铁芯几何结构达到的加工误差，铁芯几何结构可以改变铁芯的横截面误差、缠绕线圈的有效长度。

通常，电机控制策略是假设整个电机具有统一的参数值。使用一个中值参数来表示电机中所有相应的电路元件。使用集总参数的方法经常会引起跟踪性能的下降，这是因为每个相补偿程序中的参数值不匹配引起控制策略的过补偿或者欠补偿。对于将定子结构配置成独立铁磁性隔离铁芯部件，这些假定的参数倾向于产生更大的偏差。

因此存在对相位超前优化技术的需求，需要相位超前技术提出最优相位超前角和最优的相电流幅值，使电机用最小的功耗输出最大的转矩，并考虑单个的相绕组和定子相部件结构中的参数差异性。

发明内容

本发明满足了这个需求，并保留了分离的和铁磁隔离的单个定子铁芯部件结构的优势，例如待审批申请公开的内容。本发明能够实现相位超前角优化策略，使输出转矩最大、且每相电路元件的相电流最小，因为每相的控制环完全与相应的绕组和结构相匹配，所以能够为特定用户需要的转矩提供具有高精度控制能力的最优转矩控制策略。在某种程度上，获得这种能力是通过在多相永磁电机控制系统中建立一个产生控制信号的控制器，该控制信号对相绕组进行励磁，相绕组包括一个电流值计算器和一个相位超前优化电路，其中电流值计算器用于确定相位上相对于反向电动势超前一个相位超前角的相电流值；相位超前优化电路用于产生被优化的相位超前角的值，这样可以使电机输出转矩最大，而相电流最小。

由相位决定的参数包括绕组电抗、转矩系数、与每相相关的由相位决定的反向电动势，根据这些参数，可以对电机的每一相进行相位超前优化处理，以考虑不同的绕组和定子相部件结构的参数差异性。控制器可以按照一个综合实施方案工作，在该方案中，用具体的相参数替代每个产生的控制电压输出。可选择地，控制器可以为每个定子相提供一个单独的控制环。每一相的环结构利用对应特定相的相位超前角的最优值为各自的相绕组产生控制信号。

相位超前优化电路包括第一优化部分和第二优化部分，第一优化部分用于确定给定速度下的最大转矩值，第二优化部分响应最大转矩值，并产生相位超前角的最优值以及相电流的最优幅值。对于一个给定速度和用户请求转矩，第二优化部分使相电流最小。

根据本发明中的方法，可以通过执行下面的步骤，对多相永磁电机提供实时、连续控制：

输入一个表示所需转矩的转矩指令信号；

确定得到所需转矩所需要的相电流；

为了得到所需转矩，根据相电流确定对每相绕组进行励磁所需要的控制电压；

如果需要的控制电压超过了电源电压，那么使相电流在相位上相对反向电动势超前一个相位超前角；

根据所需转矩，确定优化的相位超前角，使电机的输出转矩最大，相电流最小；

可以使用对应所需转矩和电机速度的查找表确定最优相位超前角；

本发明中的电机控制方法为多种结构的电机提供了有利条件，并且这种电机控制方法可以应用在如下的电机中，在这种电机中，定子相部件由铁磁隔离定子电磁体组成，电磁铁芯部件由单独的相绕组形成，彼此之间分开，不直接接触。

本发明在电机跟踪用户发起的可变输入应用中特别有利，例如在电动车辆跟踪控制操作中。响应转矩指令输入信号，根据包括每相特定参数的表达式，控制器选择每相所需的电流轨线。

对本领域的技术人员来说，仅通过对实施本发明的最佳预期方式举例，通过下文的详细描述可以清楚的了解本发明的其它优点，其中本发明仅示出和描述了一个最佳实施方式。应该了解的是，本发明还有其它不同的实施方式，各种实施方式中的细节可以在不偏离本发明的情况下进行各种明显的改进。因此，附图和说明书是要阐释实质问题而非限制性的。

附图说明

本发明通过举例来说明，但不是限制性的，其中附图中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1是电机单个相的等效电路图；

图2是根据本发明的电机控制系统框图；

图3是一个开关装置和驱动器的部分电路图，其中开关装置和驱动器用于受图2中系统控制的电机的单个定子铁芯段绕组；

图4是适用于图2控制系统的电机结构的三维剖视图；

图5是一图表，其示出了在具有相位超前角和不具有相位超前角两种情况下的转矩-速度特性；

图6是一圆形图，其示出了根据本发明的相位超前技术；

图7是一个框图，其示出了图2控制系统中应用的转矩控制器方法；

图8是一框图，其示出了图7中的相位超前角优化单元；

图9和图10是图表，其示出了图8中第一优化部分执行的相位超前角优化；

图11和图12是图表，其示出了图8第二优化部分执行的相位超前角优化；

图13是一个部分框图，其示出了图7中控制器方法的差异。

具体实施方式

图2是根据本发明的电机控制系统的框图。多相电机10包括转子20和定子30。定子具有多个相绕组，这些绕组通过DC电源40经由电子开关装置42施加的驱动电流被进行可切换的励磁。该开关装置与控制器44经由栅极驱动器46连接。控制器44具有一个或多个用户输入端，和多个对应于运行期间检测到的电机条件的输入端。利用多个电流传感器48中的各个电流传感器对每个相绕组中的电流进行检测，其中电流传感器的输出提供给控制器44。由于这个目的，控制器可能具有多个输入，或者作为可选的方式，可复用从电流传感器发出的信号，并连接至单个控制器输入端。转子的位置传感器47与控制器44的另一个输入端连接以提供位置信号。位置传感器的输出也提供给速度近似器50，该近似器将位置信号转换成速度信号提供给控制器44的另一个输入端。

顺序控制器可以包括微处理器或等效的微控制器，比如TexasInstrument的数字信号处理器TMS320LF2407APG。该开关装置可以包括多个MOSFET半桥，比如International Rectifier IRFIZ48N-ND。栅极驱动器可以包括Intersil MOSFET的栅极驱动器HIP4082IB。位置传感器可以包括任何公知的检测装置，比如Hall效应装置(AllegroMirosystems 92B5308)、巨磁阻(GMR)传感器、电容型旋转传感器、簧片开关、含有非晶体传感器的脉冲线圈传感器、解算器、光学传感器以及类似的传感器。可以采用Hall效应传感器，比如F.W.BellSM-15，作为电流传感器48。速度检测器50可提供测得角度位置信号时间导数的近似值。

图3是开关装置和单个定子铁芯段绕组驱动器的部分电路图。定子相绕组34与四个FET的桥式电路连接。应该了解的是，任何公知的电子开关元件都可以用来沿适当方向引导驱动电流流过定子绕组34，例如双极性晶体管。串联连接的FET53和FET55与电源相连，FET54和FET56也一样。定子绕组34连接在两个串联FET电路的连接节点之间。栅极驱动器46响应于从顺序控制器44中接收到的控制信号，给FET的栅极端提供触发信号。FET53和56被同时触发使电机电流沿同一方向流动。为了使电机电流沿相反方向流动，同时触发FET54和55。可选地，门极驱动器46也可以合并入顺序控制器44中。

本发明的电机适用于，例如驱动汽车、摩托车、自行车或类似工具的车轮。图4使电机结构的剖面图，该电机装在车轮中，定子刚性固定在固定轴上并且驱动轮子的转子围绕着该定子。电机10包括环形永磁体转子20，永磁体转子与定子之间间隔一个径向气隙。转子和定子绕转轴同轴设置，该转轴是该固定轴的中心。定子包括多个铁磁性隔离的元件或定子组。铁芯段32，由导磁材料制成并彼此分隔开不直接接触，具有各自形成在每个极上的绕组部分34。在这个实施例中，示出了七个定子组，每个组包括两个沿气隙周向分布的、突出的电磁极。转子包括多个永磁体22，其沿气隙周向分布并固定在环形背板24上。对应用了这种结构的电机的更详细讨论，可以在前面讨论的Maslov等的申请09/966102中了解到。然而，应该了解的是，上下文中的车辆在多数具体应用中仅仅是示意性的，在这些应用可以采用本发明的电机。下文将要详细描述的本发明原理也可以用于其它的永磁体电机结构，包括支撑全部相绕组的一体的定子铁芯。

在车辆驱动应用的例子中，输入到控制器中的用户输入之一是由用户油门指令指示的所需转矩。油门增大表示要加速的指令，这可以通过增加转矩来实现。另一个输入到控制处理器的外部输入可以包括刹车信号，该信号是在驾驶员操作刹车踏板或手柄时产生的。处理器的响应为，立即停止电机驱动或是改变驱动控制以降低转矩和速度。可施加单独的外部停车信号以立即响应驾驶员的指令。

在诸如驱动条件改变、道路坡度、地形等外部条件变化的情况下，该控制系统转矩跟踪函数性对固定的输入指令应保持在稳定状态运行。控制系统应该能够响应于驾驶员的油门输入，精确、平滑地适应转矩指令的改变。

控制器44输出端的控制电压V_i(t)表示经过计算的所需电压值以获得用户请求的转矩。由于控制电压V_i(t)是由DC电源提供的，所以该控制电压的最大值会受到该DC电源最大电压的限制。如果计算后的、用于实现用户请求转矩的所需控制电压比最大电源电压高，那么要采用相位超前控制技术以使电机输出转矩最大化。作为可取代规定正弦相电流与反电动势同相位的方式，正如传统中所做的，相电流的相角相对于反电动势故意超前一个相位超前角以使输出转矩最大化。

图5中的图表示出了具有相位超前角和不具有相位超前角的电机10转矩速度特性。曲线1表示在相电流没有相位超前的情况下以不同速度运行所获得的最大转矩值。这个曲线限定了基本的电机速度轨迹。不能获得任何位于这个曲线右上侧的运行点，除非引入相位超前角。

曲线2表示利用适当选择的相位超前角的情况下以不同速度运行所获得的最大转矩值。图5中可以清楚的看出，电机的运行范围已经得到扩展，确实超过了基本速度。

相位超前技术在图6中以圆形几何图的方式示出。带阴影的圆形1表示对应给定速度所得到的电流运行区间，该区间受到有限的DC电源电压的限制。更小的圆形2表示的是受电机最大额定电流I_max限制的电流运行区间。在两个圆形重叠的区域能够出现实际的稳态电流。

超前相位角值α_max，在图6中用电流矢量和Q轴之间的角度表示，与提供最大转矩T_max的相位超前角相对应，该最大转矩与电流矢量在Q轴上的投影成比例，其中该电流矢量与圆形2的半径等长，Q轴沿反电动势方向形成。

图7是示出采用前馈补偿表达式的转矩控制器原理框图，该表达式考虑了测得的电机运行条件以及单个电路参数值以实现这些目的。对精确转矩跟踪而言，可根据下列表达式选择每相所需的电流轨线：

I_di(t)＝I_optisin(N_rθ_i+α_opti)

其中I_di表示每相所需的电流轨线，I_opti表示每相最优电流幅值，N_r表示永磁体极对数，θ_i表示第i相绕组与转子参考点之间的相对位置偏移，α_opti表示每相最优的相位超前角。

为了求出所需的相电流，下列每相电压控制表达式应用于相绕组的驱动器：

V_i(t)＝L_idI_di/dt+R_iI_i+E_i+k_se_i

图7描述了这种方法，用标记60表示，通过这种方法，控制器利用转矩请指令输入以及从相电流传感器、位置传感器和速度检测器接收到的信号，实时推导出电压表达式的各项。与油门对应的外部用户请求(所需)转矩指令T_cmd输入到相位超前角优化单元61中，该相位超前角优化单元61确定被控制函数单元62采用的每相最优相角超前角α_opti和每相最优相电流幅值I_opti，控制函数单元62将采用这两个值来确定每相电流I_di(t)，需要这个相电流，以使电机能够得到对应于转矩指令T_cmd的用户请求转矩。还有，从速度近似器50中发出的电机速度ω(t)提供给相位超前角优化单元61。下文将更详细讨论，相位超前优化单元61可以利用位于控制器44中的二维查询表来实现，以针对每个控制器原理60，即针对多相电机10的每个第i^th相，确定最优相位超前角α_opti和每相最优相电流幅值I_opti。

转子位置θ输入到控制器函数单元64中，该函数单元基于该转子位置、永磁体极对数(N_r)、定子相数(N_s)、特定相的相延迟来产生一个表示励磁角度θ_i(t)的输出。控制器函数单元64的输出加到控制器函数单元62中。因此，利用这样接受到的励磁角输入，控制器函数单元62可以确定如下式的每相电流I_di(t)，需要该电流使电机能够确定与转矩指令T_cmd对应的用户请求转矩。

I_di(t)＝I_optisin(N_rθ_i+α_opti)

控制函数单元66对从单元62中接收到的所需相电流I_di(t)与测得的相电流I_i(t)之间的差进行计算，以输出相电流跟踪误差信号e_i((t)。这个误差信号与控制器函数单元68中的增益系数k_s相乘。通过抑制由测量噪声和任何模型参数不准确所引起的系统扰动，电流反馈增益的作用是提高整个系统的稳定性。单元68的输出加到控制器函数单元70上。单元70将时变电压信号V_i(t)输出给栅极驱动器46，用于选择性地控制对相绕组34的励磁。V_i(t)具有对电感效应、引发的反电动势和电阻进行补偿的分量。

为了补偿相绕组中存在的电感，项L_idI_di/dt输入到控制器函数单元70中，以加入到相电压的计算式中，其中dI_di/dt表示所需相电流I_di(t)的标准时间导数。L_idI_di/dt的确定是在控制器函数单元72中根据接收到的α_opti、I_opti、θ_i(t)和ω(t)输入而进行。单元72确定了L_idI_di/dt＝I_optiL_iN_rωcos(N_rθ_i+α_opti)。

为了补偿引发的反电动势电压，项E_i加入到相电压计算式中作为从控制器函数单元74到函数单元70的输入。反电动势的补偿值是从转子角度和速度中推导出来的，单元74利用反电动势系数K_ei作为输入。为了补偿由相绕组电阻和寄生电阻上引起的电压降，项R_iI_i(t)加入到相电压计算式中作为从控制器函数单元76到函数单元70的输入。

图8是相位超前角优化单元61的框图，该单元可决定被用来确定每相电流I_di(t)的每相最优相位超前角α_opti和每相最优相电流幅值I_opti，该每相电流I_di(t)使电机能够得到用户请求转矩T_cmd。相位超前角优化单元61包括对应使输出转矩最大化的第一优化部分82和使相电流最小化的第二优化部分84。

第一优化部分82确定当前速度ω下的最大转矩输出T_max，该当前速度是作为来自速度近似器50的输入信号。在电机最大额定电流I_max和直流电源电压V_c的限制下，优化部分82可以使对应于给定速度的转矩输出最大化。通过下式以数学形式表示：

最大化转矩 $\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{\τ},i}{I}_i\cos {\mathrm{\α}}_i$ (1)以下列为条件

(R_i ²+X_s，i ²)I_i ²-2E_iX_s，iI_isinα_i+2E_iR_iI_icosα_i+E_i ²≤V_c ²    (2)

和，

I_i≤I_max                                                   (3)

I＝1，2，...，N_s

其中，α_i表示相位超前角

X_s，I＝L_iN_rω是绕组的电抗

I_max是电机的额定电流

在每个控制周期期间，控制器44从位置传感器47中获取转子位置信号。然后假设在气隙中分布着正弦磁通的情况下确定反电动势的幅值和相位。这些参数输入到第一优化部分82，同速度ω一起，根据方程式(1)-(3)来确定当前速度ω情况下的可达到的最大转矩T_max(ω)。确定的最大转矩T_max(ω)值随同用户请求转矩指令T_cmd一起输入到第二优化部分84中。

图9示出了给定速度下，相位超前角、相电流和转矩输出的曲线，是由第一优化部分82实施的优化处理而确定的结果。因为电机参数是由相位决定的值，因此对每个单相的优化是单独进行的。

如图9所示，整个速度范围可以被分成三个区域，每个区域具有明显的特点。在低速区(即低于120rpm)，额定电流受限是限制转矩输出的主导因素。最优相位超前角是零，该相电流等于最大允许电流。

在中速区(即在120rpm和220rpm之间)，最大电流和直流电源电压受限起主要作用。因此，正的相位超前对使转矩最大化来说是必须的。同时，相电流仍然等于最大允许电流。该转矩输出在速度增加时而减少，而最优相位超前角随着速度的增加而增加。

在高速区(即超过220rpm)，直流电源电压成为主要的限制因素。该最大转矩输出随着速度继续降低，相位超前随着速度继续增大。然而，相电流是低于最大允许电流的。

第一优化处理可以在各种额定电流下进行，形成对应于最优相位超前角、相电流和转矩输出的曲线族。图10示出了对应于给定速度，在额定电流10A和15A下获得的表示相位超前角、相电流和转矩的曲线族。

由第一优化部分82确定的最大转矩值T_max(ω)同表示所需转矩的用户请求转矩指令T_cmd一起提供给第二优化部分84。根据这些参数，第二优化部分可通过使对应特定速度和所需转矩的相电流I_i最小化的方式，确定针对给定的用户请求转矩指令T_cmd的相电流最优幅值和最优相位超前角，如下式：

最小化电流 $I_i=\frac{2\min (T_{\mathrm{cmd}},T_{\max }\left(\mathrm{\ω}\right))}{N_s{K}_{\mathrm{\τ},i}\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)}$ (4)以下列为条件4(R_i ²+X_s，i ²)T_cmd ²+4E_iN_sK_τ，iT_cmd(-X_s，isinα_icosα_i+R_icos²α_i)+(E_i ²-V_c ²)N_s ²K_τ，i ²cos²α_i≤0

这相当于使相位超前角最小化。结果，该当前速度和所需转矩情况下的效率最大化。

因此，第二优化部分84根据表达式(4)和(5)确定相电流幅值和相位超前角的最优值。

图11和12示出了分别在两个速度200和250RPMs情况下针对给定转矩指令T_cmd的优化处理结果。与图9类似，图11中的用户请求转矩指令T_cmd的范围可以分成三个区域。对于低转矩(低于28Nm)来说，可以用零相位超前角达到请求的转矩。也可以利用正相位超前和更高电流结合的方式以更低的效率达到相同的转矩。在中间区(28和56Nm之间)，可以采用正相位超前角来达到请求的转矩。也可以利用更大相位超前角和更高电流结合的方式以更低的效率达到相同的转矩。在高转矩区(超过56Nm)，不能达到请求的转矩。利用第一优化部分82实施的优化处理，可以获得可达到最大转矩。

根据本发明的实施方式，为了支持实时的电机控制，相位超前角优化单元61根据对应于电机速度和用户请求转矩指令输入的二维查找表工作，来提供最优相电流幅值和最优相位超前角。由于相电流最优幅值和最优相位超前角是基于诸如相绕组电抗、转矩系数和反电动势的由相决定的参数而确定的，因此由第一和第二优化部分82和84实施的优化处理可以针对每一相进行，以确定各自相绕组的控制信号V_i(t)。结果，本发明的相位超前角优化处理可以解决单个的相绕组和定子相部件结构中的参数变化。

在运行期间，控制器44为各自相绕组的单独励磁给栅极驱动器连续输出控制信号V_i(t)。该门极驱动器触发各个开关装置，这样绕组被选择的顺序与控制器中建立的顺序一致。每个连续的控制信号Vi(t)与在对应相绕组中测到的具体电流、即刻测得的转子位置和速度有关，也与模型参数K_ei和K_τi有关，K_ei和K_τi已经针对各个相预定好。因此，对于每个导出的控制信号V_i(t)而言，除了接收适时检测到的电机反馈信号之外，控制器必须访问控制信号对应的针对特定相的参数。控制器由此具有补偿不同的定子相间各自的相特性差异的能力。为了防止超过电压控制程序过补偿/欠补偿，所采用的每相电路参数完全与它们的实际值相匹配。

每相转矩系数K_τi可获取每一相的每相转矩成分。这个参数同所产生的有效转矩与供给该相的电流之间的比率成正比。利用相位改善的转矩是磁通密度的函数，其中磁通密度是用相的铁芯材料来改善的，这个函数产生了有效的气隙磁通密度。为了使材料最大程度感应而不会使铁芯趋于饱和，则对电磁铁芯几何结构的设计考虑了电流密度，这个电流密度是每个铁芯部分上安培匝数的函数。如果电机的结构采用了分离的、铁磁独立的电磁铁芯，那么这种矛盾将更加明显。对绕组和感应系数的改变也有助于确定转矩系数和反电动势系数参数。如果在绕组中形成有气穴，那么这会削弱在铁芯中形成的有效磁通。虽然通过统一的绕组可以实现较高的捆扎系数，但是在导线制造过程中会有差异。因此，如果控制器采用了额定电机转矩系数和额定反电动势系数，那么相特性的变化会引起电机整体输出转矩的变化。通过给为每相提供预先确定好的每相转矩系数和反电动势系数，图7中示出的转矩控制器方法可以避免这类问题。

图7中示出的计算是实时连续进行的。选择单元62中示出的表达式，以在优选实施方式中为跟踪转矩提供所需的电流。如果除了转矩输入指令的精确跟踪改变之外的其它因素也有重要作用的话，可以修改这个表达式。例如，在某些电机应用中，要考虑加速和减速的程度以避免不必要的不良运行条件。因此单元62中的表达式可以改变以适应额外的考虑因素。

图7中示出的控制器方法可以以一个综合实施方案来进行，在该方案中，用具体的相参数替代每个所产生的控制电压输出。可选择地，控制器44可以为每个定子相提供一个单独的控制环，如图13中示出的部分框图。对每个N_s电机相而言，提供了一个对应的控制环60_i。每个环为各自电机相包含了相关参数。根据适当的电机相励磁顺序，并仅需要为产生控制电压检测电机反馈信号，可以使这个控制环工作。

在公开的内容中，图示和描述的仅是本发明的优选实施方式以及仅仅几个其通用性的例子。应该了解的是本发明可以用于各种组合和场合，本发明也可以在本文阐述的发明原理范围内进行变化和更改。例如，在图7中示出的控制方案中，通过参考存在查找表中的值，所需的每相电流I_di(t)可以从接收到的输入T_cmd、θ_i(t)实时地确定。将为每个定子相提供查找表。可选的，可以根据表达式(1)-(5)实时地进行优化，或者可以采用诸如人造神经网络的优化系统来获得最优的控制参数。

值得高兴的是，本发明的电机除了车辆驱动之外具有广泛的应用范围。而优选的是，应用在车辆驱动中，在车辆中是转子围绕着定子，在采用定子围绕转子的其它应用中也会发现优势。因此，在本发明预期范围内，每个内环和外环件可以包括定子或转子，也可以包括电磁体组或永磁体组。

虽然本发明仅公开了对应每个电机电气相的单独磁路的例子，但是本发明可以应用于其它的电机装配中，比如含有公共磁路的电机。因此，应该了解本发明可以在本文表达的发明思想范围内进行改变和调整。

Claims (23)

1.用于多相电机(10)的控制系统，所述电机具有多个定子相部件(30)和转子(20)，每个定子相部件包括形成在铁芯元件(32)上的相绕组(34)，所述系统包括：

控制器(44)，用于产生控制信号(V_i(t))来激励相绕组(34)，该控制器包括：

电流值确定机构(62)，用于确定相位上超前于反电动势一个相位超前角(α_opti)的相电流的值(I_di(t))，

相位超前优化机构(61)，用于产生最优的相位超前角(α_opti)，以最大化所述电机(10)的输出转矩，及最小化所述相电流(I_i)；和

差异机构(66)，用于确定在所述相电流的值(I_di(t))和检测到的相电流的值(I_i(t))之间的差异(e_i(t))。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述相位超前优化机构(61)配置为优化所述电机(10)的每相的相位超前角。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述控制器(44)配置有用于每个相绕组(34)的单独的控制环，每个所述控制环采用了对应具体相的相位超前角最优值，以产生对于各个相绕组的控制信号。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中每个定子相部件的铁芯元件(32)包括铁磁隔离的定子电磁体(22)，所述铁芯元件(32)彼此不直接接触，并且相绕组(34)形成在每个铁芯元件(32)上。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述相位超前优化机构(61)包括第一优化部分，用于确定对应给定速度的最大转矩值。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中所述相位超前优化机构(61)还包括第二优化部分，其响应最大转矩值产生相位超前角最优值。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述第二优化部分还产生所述相电流的最优幅值。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述第二优化部分配置为对于给定的速度和用户要求的转矩最小化所述相电流。

9.一种用于多相电机的控制系统，包括：

控制电压计算器(44)，用于确定为了获得期望转矩激励所述电机(10)的相绕组(34)需要的控制电压(V_i(t))，

电流计算器(62)，用于确定表示期望转矩的每相电流(I_i(t))，所述每相电流在相位上超前反电动势一个相位超前角，

相位超前确定机构(61)，其响应于与所需转矩对应的转矩指令信号(T_cmd)，来确定每相的相位超前角的值(α_opti)；以及

相电流差异计算器(66)，用于确定在期望的每相电流(I_di(t))和检测到的相电流(I_i(t))之间的差异(e_i(t))。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其中所述相位超前确定机构(61)配置为最大化所述电机的输出转矩和最小化给定的期望转矩的每相电流。

11.根据权利要求9所述的控制系统，其中所述相位超前角基于取决于相的参数进行确定。

12.根据权利要求11所述的控制系统，其中所述取决于相的参数包括取决于相的转矩系数。

13.根据权利要求11所述的控制系统，其中所述取决于相的参数包括与每相有关的取决于相的反电动势。

14.根据权利要求11所述的控制系统，其中所述取决于相的参数包括所述相绕组的电抗。

15.一种对多相电机实时控制的方法，该电机具有多个定子相绕组(34)和转子(20)，每个定子相绕组(34)形成在铁芯元件(32)上，该方法包括的步骤是：

输入一个表示所需转矩的转矩指令信号(T_cmd)，

确定为达到所述所需转矩该电机的所需相电流(I_di(t))，

根据所述的所需相电流(J_di(t))，确定为了获得该所需转矩来激励每个定子相绕组(34)的所需控制电压(V_i(t))，

如果所述的所需控制电压超过电源电压(40)，那么使相电流(I_i(t))的相位相对于反电动势超前一个相位超前角(α_opti)，

根据所述的所需转矩(T_cmd)确定最优的相位超前角(α_opti)，以使电机的输出转矩最大化、相电流(I_i(t))最小化。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述相位超前角相对于电机的每一相是最优的。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述的确定最优的相位超前角(α_opti)的步骤包括第一优化步骤，该第一优化步骤确定对应于给定速度的最大转矩值。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述的确定最优的相位超前角(α_opti)的步骤还包括第二优化步骤，该第二优化步骤响应于该最大转矩值产生相位超前角的最优值。

19.根据权利要求18所述的方法，其中第二优化步骤还包括产生相电流的最优幅值。

20.根据权利要求16所述的方法，其中该相位超前角是根据取决于相的参数进行优化的。

21.根据权利要求20所述的方法，其中该取决于相的参数包括取决于相的转矩系数。

22.根据权利要求20所述的方法，其中该取决于相的参数包括与每一相关联的取决于相的反电动势。

23.根据权利要求20所述的方法，其中该取决于相的参数包括相绕组电抗。

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