CN101860315A - 用于实现峰值扭矩的马达控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于实现峰值扭矩的马达控制系统。在马达控制器中，修正的内插值技术采用上边界表中的外插值扭矩指令来改进一些条件下的扭矩线性。当扭矩指令输入大于第一查询表的最大扭矩极限值但小于第二相邻查询表的最大扭矩极限值时，通过在第一表的最大扭矩极限值与第二查询表的修正扭矩值之间内插值来计算期望电流指令，其中修正扭矩值通过基于所述扭矩指令输入的扭矩值从所述第一查询表的最大扭矩极限值进行外插值来确定。

Description

用于实现峰值扭矩的马达控制系统

技术领域

本发明总体上涉及马达驱动器控制系统，且更具体地涉及用于优化马达在高于基准速度运行时的峰值扭矩的方法。

背景技术

一种用于马达控制系统的常用结构包括存储用于多个输入DC电压的定子电流指令表。然后，对于给定的DC电压，电流指令可从合适的查询表来确定。在输入电压位于两个预存储表之间的情况下，采用内插值法来确定正确的电流指令。然而，在接近峰值扭矩的一些情形中，仅在上边界表中可获得有效的运行指令。这发生在扭矩指令超过下Vdc表的峰值扭矩极限值时。在这种情形中，内插值法会出现误差。

更具体地，图1示出了典型的AC马达驱动控制系统100的框图。控制系统100通常包括采用输入102的一组查询表104、同步坐标电流调节块106、同步-固定变换块108、两相-三相变换块110、三相电压源逆变器112、三相-两相变换块116以及固定-同步变换块114，所有这些构造成所示的闭环，其中逆变器112联接到PM马达118。解析器120和相关的解析器-数字转换器122供给到块108和114中。这些功能块是本领域已知的，故不需要在此详细说明。

为了在大范围的预期DC链路电压和马达速度内获得最佳性能，电流指令信息常常被离线计算并存储。在该情形中，用于同步坐标电流调节器106的电流指令被存储在二维查询表104中。每个表中的索引是扭矩和速度。常规马达控制结构具有用于不同DC电压(例如，150，200，250，300，350，400V等)的多个表。但是，当实际电压位于场弱化区域中的两个表之间时，可能出现问题。

例如，图2表示在两个不同电压(在该情形中，300V和350V)的马达扭矩极限值。如果实际DC电压是325V，那么扭矩指令是125Nm，且速度是n₁，如图所示。由于指令超过300V的扭矩极限值，所以该系统被迫计算在受限水平p1(100Nm)处的300V指令。根据350V表，由于指令小于极限值(p4)，所以该系统计算在期望水平p2处的数据。接着，基于电压在两个结果之间进行线性内插值。因为325V位于300和350V的中间，所以该系统会将两个结果大致平均，并在p 1和p2之间的某处p3结束。但是，由于曲线的非线性性质，正确结果实际上在p2处。

这也在图3中示出，图3是在固定速度n₁的扭矩-Vdc时的曲线图。在此，p1和p4表示用于边界DC电压(300V和350V)的最大扭矩值。常规算法会在点304返回结果，而期望点是302。

因此，期望的是提供一种改进的马达驱动控制系统算法，该算法能够对Vdc更好地内插值。本发明的附加期望特征和特性从后述的详细说明和所附权利要求书结合附图、前述技术领域和背景技术将显而易见。

发明内容

根据本发明，一种修正的内插值技术总体上使用上边界表中的外插值扭矩指令来改进某些条件下的扭矩线性。

根据各种实施例的系统和方法包括：接收扭矩指令输入、马达速度输入和电压输入；访问多个查询表，每个查询表对应于电压输入的相邻值，每个查询表具有相关的最大扭矩极限值，且每个查询表包括由马达速度输入和扭矩指令输入的值所索引的电流指令的二维阵列；从一组运行条件中确定适用的运行条件，其中适用的运行条件对应于第一条件，在该第一条件中扭矩指令输入大于第一查询表的最大扭矩极限值但是小于第二相邻查询表的最大扭矩极限值；通过在第一表中的最大扭矩极限值与第二查询表中的修正扭矩值之间内插值来计算期望的电流指令，其中修正扭矩值通过基于扭矩指令输入的扭矩值从第一查询表中的最大扭矩极限值外插值来确定；以及，根据期望电流指令来控制电动马达。

方案1：一种马达控制系统，包括：

电动马达；

控制系统，所述控制系统联接到所述电动马达且配置成接收扭矩指令输入、马达速度输入和电压输入；

多个查询表，每个查询表对应于所述电压输入的相邻值，每个查询表具有相关最大扭矩极限值，且每个查询表包括由所述马达速度输入和所述扭矩指令输入的值索引的电流指令的二维阵列；其中所述控制系统配置成根据所述电流指令控制所述电动马达；

其中所述控制系统配置成从一组运行条件来确定适用的运行条件并确定相应期望电流指令；

其中运行条件中的一个对应于第一条件，在所述第一条件中所述扭矩指令输入大于第一查询表的最大扭矩极限值但小于第二相邻查询表的最大扭矩极限值，且其中，通过在所述第一表的最大扭矩极限值与所述第二查询表的修正扭矩值之间进行内插值来计算所述相应期望电流指令；

其中所述修正扭矩值通过基于所述扭矩指令输入的扭矩值从所述第一表的最大扭矩极限值进行外插值来确定。

方案2：根据方案1所述的马达控制系统，其中，该组运行条件还包括第二条件，在所述第二条件中，所述扭矩指令输入小于所述第一查询表的最大扭矩极限值而小于所述第二查询表的最大扭矩极限值。

方案3：根据方案2所述的马达控制系统，其中，在确定所述适用的运行条件是所述第二运行条件之后，所述控制系统配置成通过在所述第一查询表与所述第二查询表之间内插值来计算所述期望电流指令。

方案4：根据方案2所述的马达控制系统，其中，该组运行条件还包括第三条件，在所述第三条件中，所述扭矩指令输入大于所述第一查询表的最大扭矩极限值且大于所述第二查询表的最大扭矩极限值。

方案5：根据方案4所述的马达控制系统，其中，在确定所述适用的运行条件是所述第三运行条件之后，所述控制系统配置成通过在所述第一查询表的最大扭矩极限值与所述第二查询表的最大扭矩极限值之间内插值来计算所述期望电流指令。

方案6：根据方案3所述的马达控制系统，其中，所述控制系统配置成使用下述关系式来计算所述期望电流指令：

$T\left(\mathrm{px}\right)=(V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{T_{\mathrm{cmd}}-T\left(p1\right)}{V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+T\left(p1\right)$

$x\left(V_{\mathrm{dc}}\right)=(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{x\left(\mathrm{px}\right)-x\left(p1\right)}{V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+x\left(p1\right)$

其中，V_Low对应于所述第一查询表，V_High对应于所述第二查询表，p1是在V_Low且用于该电压的最大扭矩极限值处的运行点，px是在V_High处用来索引所述第二查询表的运行点，T(p1)是在p1处的扭矩值，以及T(px)在px处的扭矩值。

方案7：一种控制电动马达的方法，包括：

接收扭矩指令输入、马达速度输入和电压输入；

访问多个查询表，每个查询表对应于所述电压输入的相邻值，每个查询表具有相关最大扭矩极限值，且每个查询表包括由所述马达速度输入和所述扭矩指令输入的值索引的电流指令的二维阵列；

从一组运行条件确定适用的运行条件，其中所述适用的运行条件对应于第一条件，在所述第一条件中所述扭矩指令输入大于第一查询表的最大扭矩极限值但小于第二相邻查询表的最大扭矩极限值，

通过在所述第一表的最大扭矩极限值与所述第二查询表的修正扭矩值之间进行内插值来计算所述期望电流指令，且其中，所述修正扭矩值通过基于所述扭矩指令输入的扭矩值从所述第一查询表的最大扭矩极限值外插值来确定；以及

根据所述期望电流指令控制所述电动马达。

方案8：根据方案7所述的方法，其中，该组运行条件还包括第二条件，在所述第二条件中，所述扭矩指令输入小于所述第一查询表的最大扭矩极限值而小于所述第二查询表的最大扭矩极限值。

方案9：根据方案8所述的方法，其中，在确定所述适用的运行条件是所述第二运行条件之后，所述控制系统配置成通过在所述第一查询表与所述第二查询表之间内插值来计算所述期望电流指令。

方案10：根据方案8所述的方法，其中，该组运行条件还包括第三条件，在所述第三条件中，所述扭矩指令输入大于所述第一查询表的最大扭矩极限值且大于所述第二查询表的最大扭矩极限值。

方案11：根据方案10所述的方法，其中，在确定所述适用的运行条件是所述第三运行条件之后，所述控制系统配置成通过在所述第一查询表的最大扭矩极限值与所述第二查询表的最大扭矩极限值之间内插值来计算所述期望电流指令。

方案12：根据方案7所述的方法，其中，所述期望电流指令使用下述关系式来计算：

$T\left(\mathrm{px}\right)=(V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{T_{\mathrm{cmd}}-T\left(p1\right)}{V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+T\left(p1\right)$

$x\left(V_{\mathrm{dc}}\right)=(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{x\left(\mathrm{px}\right)-x\left(p1\right)}{V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+x\left(p1\right)$

其中，V_Low对应于所述第一查询表，V_High对应于所述第二查询表，p1是在V_Low且用于该电压的最大扭矩极限值处的运行点，px是在V_High处用来索引所述第二查询表的运行点，T(p1)是在p1处的扭矩值，以及T(px)在px处的扭矩值。

附图说明

通过参考详细说明和权利要求结合下述附图，将能更充分地理解本发明，其中贯穿附图相同的附图标记指代类似的元件。

图1是典型AC马达驱动控制系统的总体框图；

图2示出了示例性系统中的马达扭矩极限值；

图3和4是可用于描述本发明的扭矩对比Vdc曲线图；以及

图5和6是可用于描述本发明的扭矩误差对比扭矩指令曲线图。

具体实施方式

下述说明总体上涉及马达控制系统，该马达控制系统具有改进的内插值技术。在这方面，下述详细说明本质上仅为描述性的且不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，并不打算受约束于前述技术领域、背景技术、发明内容或下述具体实施方式中呈现的任何明示或暗示的理论。为了简明起见，关于磁力学、永磁电机、马达等等的常规技术和原理不必要且将不在本文进行描述。

现在参考图4中示出的扭矩对比Vdc曲线图，现将描述根据一个实施例的方法。如所描述的，需要考虑三种情形(或运行条件)：情形1(区域401)，其中在两个端点处扭矩指令(Tcmd)均小于扭矩极限值；情形2(区域402)，其中扭矩指令小于最大扭矩极限值线(p1-p4)但是超过一个左侧(p1)上的扭矩极限值；以及情形3(区域403)，其中扭矩指令超过扭矩极限值线(p1-p4)。

在情形1中，不必要进行特殊处理：常规的电压内插值法提供精确的结果，即：

$x\left(V_{\mathrm{dc}}\right)=(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{x\left(V_{\mathrm{High}}\right)-x\left(V_{\mathrm{Low}}\right)}{V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+x\left(V_{\mathrm{Low}}\right)---\left(1\right)$ 或

$x(V_{\mathrm{dc}},T_{\mathrm{cmd}},n_r)=(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{x_{V_{\mathrm{High}}}(T_{\mathrm{cmd}},n_r)-x_{V_{\mathrm{Low}}}(T_{\mathrm{cmd}},n_r)}{V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+x_{V_{\mathrm{Low}}}(T_{\mathrm{cmd}},n_r)$

其中V_High是上边界表的DC电压(在示例中为350V)，V_Low是下边界表的DC电压(在示例中为300V)，V_dc是实际DC电压，且x是存储在2D查询表中的变量，2D查询表具有扭矩和速度输入(例如，

或，D和Q轴同步坐标电流指令)。在该方程中，x_VHigh是用于较高DC电压的2D查询表(例如350V表)，而x_VHigh是用于较低可用DC电压的2D查询表(例如300V表)。

在情形2中，期望的是沿着将p1连接至要得到的期望点(点px)的线外插值。接着，可将T(px)用作上边界电压的扭矩指令输入来执行上述的2D表查询算法，而T(p1)被用作下边界电压的扭矩指令输入。由此，可在电压内插值之后得到期望点(410)：

$T\left(\mathrm{px}\right)=(V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{T_{\mathrm{cmd}}-T\left(p1\right)}{V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+T\left(p1\right)$

$x\left(V_{\mathrm{dc}}\right)=(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{x\left(\mathrm{px}\right)-x\left(p1\right)}{V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+x\left(p1\right)---\left(2\right)$

$T\left(\mathrm{px}\right)=(V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{T_{\mathrm{cmd}}-T\left(p1\right)}{V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+T\left(p1\right)$

$x(V_{\mathrm{dc}},T_{\mathrm{cmd}},n_r)=(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{x_{V_{\mathrm{High}}}(T\left(\mathrm{px}\right),n_r)-x_{V_{\mathrm{Low}}}(T\left(p1\right),n_r)}{V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+x_{V_{\mathrm{Low}}}(T\left(p1\right),n_r)$

其中p1是在V_Low和用于该电压的最大扭矩处的运行点，px是在V_High处的用于索引到表中的运行点，T(p1)是p1处的扭矩值，且T(px)是px处的扭矩值。

最后，在情形3中，系统将结果限制在扭矩极限值线(p1-p4)。这在方程3中示出：

$x\left(V_{\mathrm{dc}}\right)=(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{x\left(p4\right)-x\left(p1\right)}{V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+x\left(p1\right)---\left(3\right)$

$x(V_{\mathrm{dc}},T_{\mathrm{cmd}},n_r)=(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{x_{V_{\mathrm{High}}}(T\left(p4\right),n_r)-x_{V_{\mathrm{Low}}}(T\left(p1\right),n_r)}{V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+x_{V_{\mathrm{Low}}}(T\left(p1\right),n_r)$

其中在p4是V_High和用于该电压的最大扭矩处的运行点。

采用上述的方程1-3，可在具有最小电压内插值误差影响的情况下计算电流指令。

可用硬件、软件和固件的任何组合来完成上述方法。例如，通用目的计算机可采用可机读介质和被包括在其上的程序指令。替代性地，数字和模拟构件的任何组合可被使用并包括在控制系统中，如图1所示。诸如上述的查询表可存储在闪存或任何其它合适存储介质中。

已经发现根据本发明的系统具有许多优势。例如，图5示出了不实施本发明的基准马达和控制系统的扭矩误差对比扭矩指令。当实际运行电压(325V)位于边界表(300V和350V)中间时，获得数据。每个曲线表示不同的马达速度。在任何曲线中向右移动表示增加的扭矩请求。误差绘图为所指令扭矩的百分比。在较低扭矩指令时，误差由于固定偏差等而通常增加。每个曲线的右手端表示峰值扭矩点。每个曲线上的最右点显著地下降，如区域502中的数据点所指示的。在这些条件下，峰值扭矩受到限制。

比较而言，图6示出了使用根据本发明的方法时的相同实验结果。可注意到，峰值扭矩点不再像之前那样地下降，从而表明峰值扭矩已经增加。大体而言，当以高于基准速度运行时，峰值扭矩增加达5％。此外，当在高于基准速度的峰值扭矩附近运行时，本方法还提供改进的扭矩线性。所描述的实验在适合用于EV/HEV牵引应用的80kW(峰值)内置永磁马达中进行。三相电流调节电压源逆变器被用来驱动马达，且示例性算法被编码到控制逆变器的微处理器中。在测力计上进行实验，测力计包括用来精确地控制速度的吸收器马达、用来提供DC链路电压的调节DC电源以及用来测量实际马达扭矩的扭矩传感器。

虽然在前述详细说明中已经描述了至少一个示例性实施例，但是应当理解的是存在大量的变型。还应当理解的是，本文所描述的示例性实施例并不旨在以任何方式限制本发明的范围、应用或构造。前述详细说明为本领域技术人员提供了实施所描述实施例的便利且有益的途径。应当理解的是，在不脱离本发明及其合法等效物的范围的情况下可作出元件的功能和配置的各种变换。

Claims (10)

1.一种马达控制系统，包括：

电动马达；

控制系统，所述控制系统联接到所述电动马达且配置成接收扭矩指令输入、马达速度输入和电压输入；

多个查询表，每个查询表对应于所述电压输入的相邻值，每个查询表具有相关最大扭矩极限值，且每个查询表包括由所述马达速度输入和所述扭矩指令输入的值索引的电流指令的二维阵列；其中所述控制系统配置成根据所述电流指令控制所述电动马达；

其中所述控制系统配置成从一组运行条件来确定适用的运行条件并确定相应期望电流指令；

其中运行条件中的一个对应于第一条件，在所述第一条件中所述扭矩指令输入大于第一查询表的最大扭矩极限值但小于第二相邻查询表的最大扭矩极限值，且其中，通过在所述第一表的最大扭矩极限值与所述第二查询表的修正扭矩值之间进行内插值来计算所述相应期望电流指令；

其中所述修正扭矩值通过基于所述扭矩指令输入的扭矩值从所述第一表的最大扭矩极限值进行外插值来确定。

2.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，该组运行条件还包括第二条件，在所述第二条件中，所述扭矩指令输入小于所述第一查询表的最大扭矩极限值而小于所述第二查询表的最大扭矩极限值。

3.根据权利要求2所述的马达控制系统，其中，在确定所述适用的运行条件是所述第二运行条件之后，所述控制系统配置成通过在所述第一查询表与所述第二查询表之间内插值来计算所述期望电流指令。

4.根据权利要求2所述的马达控制系统，其中，该组运行条件还包括第三条件，在所述第三条件中，所述扭矩指令输入大于所述第一查询表的最大扭矩极限值且大于所述第二查询表的最大扭矩极限值。

5.根据权利要求4所述的马达控制系统，其中，在确定所述适用的运行条件是所述第三运行条件之后，所述控制系统配置成通过在所述第一查询表的最大扭矩极限值与所述第二查询表的最大扭矩极限值之间内插值来计算所述期望电流指令。

6.根据权利要求3所述的马达控制系统，其中，所述控制系统配置成使用下述关系式来计算所述期望电流指令：

$T\left(\mathrm{px}\right)=(V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{T_{\mathrm{cmd}}-T\left(p1\right)}{V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+T\left(p1\right)$

$x\left(V_{\mathrm{dc}}\right)=(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{Low}})\·\left(\frac{x\left(\mathrm{px}\right)-x\left(p1\right)}{V_{\mathrm{High}}-V_{\mathrm{Low}}}\right)+x\left(p1\right)$

其中，V_Low对应于所述第一查询表，V_High对应于所述第二查询表，pl是在V_Low且用于该电压的最大扭矩极限值处的运行点，px是在V_High处用来索引所述第二查询表的运行点，T(p1)是在p1处的扭矩值，以及T(px)在px处的扭矩值。

7.一种控制电动马达的方法，包括：

接收扭矩指令输入、马达速度输入和电压输入；

访问多个查询表，每个查询表对应于所述电压输入的相邻值，每个查询表具有相关最大扭矩极限值，且每个查询表包括由所述马达速度输入和所述扭矩指令输入的值索引的电流指令的二维阵列；

从一组运行条件确定适用的运行条件，其中所述适用的运行条件对应于第一条件，在所述第一条件中所述扭矩指令输入大于第一查询表的最大扭矩极限值但小于第二相邻查询表的最大扭矩极限值，

通过在所述第一表的最大扭矩极限值与所述第二查询表的修正扭矩值之间进行内插值来计算所述期望电流指令，且其中，所述修正扭矩值通过基于所述扭矩指令输入的扭矩值从所述第一查询表的最大扭矩极限值外插值来确定；以及

根据所述期望电流指令控制所述电动马达。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，该组运行条件还包括第二条件，在所述第二条件中，所述扭矩指令输入小于所述第一查询表的最大扭矩极限值而小于所述第二查询表的最大扭矩极限值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在确定所述适用的运行条件是所述第二运行条件之后，所述控制系统配置成通过在所述第一查询表与所述第二查询表之间内插值来计算所述期望电流指令。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，该组运行条件还包括第三条件，在所述第三条件中，所述扭矩指令输入大于所述第一查询表的最大扭矩极限值且大于所述第二查询表的最大扭矩极限值。

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