CN101969289B

CN101969289B - 改善电机在场削弱区域工作期间的扭矩线性的增益调节

Info

Publication number: CN101969289B
Application number: CN2010102395587A
Authority: CN
Inventors: G·加勒戈斯-罗佩斯; M·佩里西克; S·希蒂
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2030-07-27
Also published as: US8228016B2; DE102010030875A1; CN101969289A; US20090284195A1

Abstract

本发明涉及改善电机在场削弱区域工作期间的扭矩线性的增益调节。公开了改善当电机工作在场削弱区域时的扭矩线性的方法和系统。这些系统和方法利用通量削弱控制环和扭矩线性控制环调节电机定子电流命令的q轴和d轴分量，使得当电机工作在场削弱工作区域时扭矩线性得以维持。

Description

改善电机在场削弱区域工作期间的扭矩线性的增益调节

相关申请的交叉引用

本申请是2007年7月27日提交的申请11/829,298的部分连续申请。

技术领域

本发明的实施例总体上涉及电机控制，更具体地涉及改善电机在场削弱区域工作时的扭矩线性的技术。

背景技术

电机将电功率转换为机械的力和运动。电机可见于许多应用中，包括诸如风扇、冰箱和洗衣机等家用电器。电传动也日益运用在电动和混合动力车辆中。

旋转电机通常具有称为转子的内部旋转磁体，其在静止的定子内旋转。转子电磁场与定子绕组所产生的场之间相互作用，产生了电机扭矩。转子可以是永磁体或者其可由线圈制成。然而，如果转子具有嵌入其中的永磁体(即，永磁体不是位于转子表面)，则电机可被称为内永磁(IPM)电机。输入电压被供应到电机中被称为“电枢”的部分。取决于电机的设计，转子或者定子可充当电枢。在IPM电机中，电枢是定子，并且是由输入电压供电以驱动电机的一组绕组线圈。

将机械能转换为电能的反向任务由发电机或直流发电机完成。如上所述的电机也可用作发电机，这是因为部件都是相同的。当机械扭矩驱动电机/发电机时，则输出电力。混合动力以及电动车辆或者机车上使用的牵引机通常执行两种任务。

通常，当电机加速时，电枢(因而以及场)电流被进一步对准成与电机通量相对以便减小总电机通量，并因此将定子电压保持在其界限内。使电机内磁通量减小的场减小也被称为通量或场削弱。场削弱控制技术可用于提高电机的扭矩-速度特性中的性能。为了保持对定子电流的控制，可通过场削弱控制环减小电机的场。可通过调节定子励磁实现IPM电机中的场或通量削弱。可通过电压源变换器的电压脉宽调制(PWM)来控制IPM电机中的定子励磁。

通量削弱技术在过去已经得到了使用，其中，特意削弱IPM通量以减少与高通量关联的问题，例如由于高的反电动势(Back-EMF)引起的过压。例如，在电机工作的恒定扭矩区域期间，已经使用闭环电流调节器控制来控制所施加的PWM电压励磁，使得瞬时相电流遵循其被命令的值。然而，当电机端电压接近PWM变换器的最大电压时，可能在高速时出现电流调节器的饱和。超过这个点，通量应当被削弱以维持适当的电流调节，直到最大可用电机速度。减小电机内的磁通量改善了IPM电机在高速时的功率特性。然而，扭矩会与通量直接成比例地降低。

因此，希望当电机工作在场削弱区域时保持扭矩的线性。此外，从后续的详细说明和所附权利要求并结合附图以及前述技术领域和背景技术，其他期望特征和特性将变得明显。

发明内容

公开了用于当电机工作在场削弱区域时产生扭矩线性的控制系统和方法。在一个实施例中，提供了一种用于电机的控制系统。所述控制系统包括电流调节器模块、场削弱模块和扭矩线性模块。所述电流调节器模块产生第一电压命令信号和第二电压命令信号。所述场削弱模块基于所述第一电压命令信号和所述第二电压命令信号产生第一调节电流命令信号。所述扭矩线性模块使用所述第一调节电流命令信号以及扭矩命令信号和第一受限电流命令信号以产生第二调节电流命令信号。

在一个非限制性实施方式中，所述扭矩线性模块包括微分(导数)增益模块和联接到所述微分增益模块的限制器模块。所述微分增益模块具有基于所述扭矩命令信号和所述第一受限电流命令信号计算的微分增益。所述第一调节电流命令信号乘以所述微分增益以产生粗略的第二调节电流命令信号。所述限制器模块通过将所述粗略的第二调节电流命令信号限制在所述限制器模块设定的界限内而产生所述第二调节电流命令信号。

本发明还提供了以下技术方案。

方案1.一种用于电机的控制系统，所述控制系统包括：电流调节器模块，其设计成产生第一电压命令信号和第二电压命令信号；场削弱模块，其设计成基于所述第一电压命令信号和所述第二电压命令信号产生第一调节电流命令信号；和扭矩线性模块，其设计成基于所述第一调节电流命令信号、扭矩命令信号和第一受限电流命令信号产生第二调节电流命令信号，其中，所述扭矩线性模块还包括：微分增益模块，其具有基于所述扭矩命令信号和所述第一受限电流命令信号计算的微分增益，其中，所述第一调节电流命令信号乘以所述微分增益以产生粗略的第二调节电流命令信号；以及限制器模块，其联接到所述增益模块并且设计成通过将所述粗略的第二调节电流命令信号限制在所述限制器模块设定的界限内而产生所述第二调节电流命令信号。

方案2.如方案1所述的系统，其特征在于，所述微分增益模块的所述微分增益是所述扭矩命令信号和所述第一已调节的电流命令信号的函数。

方案3.如方案2所述的系统，其特征在于，所述微分增益模块的所述微分增益基于下式计算：

\frac{{dI}_{Q}}{{dI}_{D}} = \frac{4}{3 P} \times \frac{T^{*} \times (L_{Q} - L_{D})}{{[λ + I_{D}^{* * *} \times (L_{D} - L_{Q})]}^{2}}

其中，P是所述电机的极数，T^*是所述扭矩命令信号，其中，I_D ^***是所述第一受限电流命令信号，其中，L_D和L_Q分别是所述电机的第一电感和第二电感，并且其中，λ是通量链合常数。

方案4.如方案1所述的系统，其特征在于，还包括：电流命令查找表模块，所述电流命令查找表模块接收所述扭矩命令信号、转子角速度和DC链电压，并且所述电流命令查找表模块产生第一电流命令信号和第二电流命令信号。

方案5.如方案4所述的系统，其特征在于，还包括：第一加法器，其设计成基于所述第一电流命令信号和所述第一调节电流命令信号产生第一已调节的电流命令信号；和第二加法器，其设计成基于第二电流命令信号和所述第二调节电流命令信号产生第二已调节的电流命令信号。

方案6.如方案5所述的系统，其特征在于，还包括：相电流限制器模块，所述相电流限制器模块接收DC链电压和所述电机的转子角速度，并且所述相电流限制器模块限制所述第一已调节的电流命令信号以产生所述第一受限电流命令信号以及限制所述第二已调节的电流命令信号以产生第二受限电流命令信号，所述第一受限电流命令信号被提供到所述电流调节器模块，所述第二受限电流命令信号被提供到所述电流调节器模块。

方案7.一种用于交流(AC)电机的控制系统，所述控制系统包括：电流调节器模块，其设计成基于反馈d轴电流信号、反馈q轴电流信号、受限d轴电流命令信号和受限q轴电流命令信号产生d轴电压命令信号和q轴电压命令信号；场削弱模块，其设计成基于所述d轴电压命令信号和所述q轴电压命令信号产生d轴调节电流命令信号；第一加法器，其设计成基于d轴电流命令信号和所述d轴调节电流命令信号产生已调节的d轴电流命令信号；扭矩线性模块，其设计成基于所述d轴调节电流命令信号、扭矩命令信号和所述已调节的d轴电流命令信号产生q轴调节电流命令信号；和第二加法器，其设计成基于q轴电流命令信号和所述q轴调节电流命令信号产生已调节的q轴电流命令信号。

方案8.如方案7所述的系统，其特征在于，所述扭矩线性模块还包括：微分增益模块，其具有基于所述扭矩命令信号和所述受限d轴电流命令信号计算的微分增益，其中，所述d轴调节电流命令信号乘以所述微分增益以产生粗略的q轴调节电流命令信号；和限制器模块，其联接到所述增益模块并且设计成通过将所述粗略的q轴调节电流命令信号限制在所述限制器模块设定的界限内而产生所述q轴调节电流命令信号。

方案9.如方案8所述的系统，其特征在于，所述微分增益模块的所述微分增益是所述扭矩命令信号和所述已调节的d轴电流命令信号的函数。

方案10.如方案9所述的系统，其特征在于，所述微分增益模块的所述微分增益基于下式计算：

\frac{{dI}_{Q}}{{dI}_{D}} = \frac{4}{3 P} \times \frac{T^{*} \times (L_{Q} - L_{D})}{{[λ + I_{D}^{* * *} \times (L_{D} - L_{Q})]}^{2}}

方案11.如方案7所述的系统，其特征在于，还包括：电流命令查找表模块，所述电流命令查找表模块接收所述扭矩命令信号、转子角速度和DC链电压，并且所述电流命令查找表模块产生所述d轴电流命令信号和所述q轴电流命令信号。

方案12.如方案7所述的系统，其特征在于，还包括：相电流限制器模块，所述相电流限制器模块接收DC链电压和所述电机的转子角速度，并且所述相电流限制器模块限制所述已调节的d轴电流命令信号以产生所述受限d轴电流命令信号以及限制所述已调节的q轴电流命令信号以产生所述受限q轴电流命令信号。

方案13.一种用于控制电机的方法，所述方法包括：基于第一反馈电流信号、第二反馈电流信号、第一受限电流命令信号和第二受限电流命令信号产生第一电压命令信号和第二电压命令信号；基于所述第一电压命令信号和所述第二电压命令信号产生第一调节电流命令信号；并且基于所述第一调节电流命令信号、扭矩命令信号和所述第一已调节的电流命令信号产生第二调节电流命令信号。

方案14.如方案13所述的方法，其特征在于，产生第二调节电流命令信号的步骤包括：基于所述扭矩命令信号和所述第一受限电流命令信号计算微分增益；确定所述第一调节电流命令信号和所述微分增益的乘积以产生粗略的第二调节电流命令信号；并且限制所述粗略的第二调节电流命令信号以产生所述第二调节电流命令信号。

方案15.如方案14所述的方法，其特征在于，所述微分增益模块的所述微分增益基于下式计算：

\frac{{dI}_{Q}}{{dI}_{D}} = \frac{4}{3 P} \times \frac{T^{*} \times (L_{Q} - L_{D})}{{[λ + I_{D}^{* * *} \times (L_{D} - L_{Q})]}^{2}}

方案16.如方案13所述的方法，其特征在于，还包括：接收所述扭矩命令信号、转子角速度和DC链电压；并且基于所述扭矩命令信号、所述转子角速度和所述DC链电压产生第一电流命令信号和第二电流命令信号。

方案17.如方案16所述的方法，其特征在于，还包括：将所述第一电流命令信号加入所述第一调节电流命令信号以产生第一已调节的电流命令信号；并且将所述第二电流命令信号加入所述第二调节电流命令信号以产生第二已调节的电流命令信号。

方案18.如方案17所述的方法，其特征在于，还包括：接收所述DC链电压和所述电机的所述转子角速度；基于所述DC链电压和所述转子角速度限制所述第一已调节的电流命令信号以产生所述第一受限电流命令信号；并且基于所述DC链电压和所述转子角速度限制所述第二已调节的电流命令信号以产生所述第二受限电流命令信号。

附图说明

下面将结合附图描述本公开的实施例，在附图中相似的附图标记表示相似的元件，并且

图1是已有的电机控制系统的功能方框图；

图2是一种控制系统的功能方框图；

图3是图2的控制系统的相电流限制器模块的功能方框图；

图4是曲线图，示出了IPM电机在具有和不具有扭矩线性控制块时的电流调节性能；以及

图5是方框图，示出了AC电机的扭矩控制系统；

图6是曲线图，示出了在一系列恒定扭矩曲线上绘制的每安培最大扭矩(MTA)曲线和每伏特最大扭矩(MTV)曲线；以及

图7是曲线图，示出了一组曲线，绘出了对于特定扭矩值，随反馈d轴电流信号(I_D)变化的微分增益模块的微分增益。

具体实施方式

下面的详细描述本质上仅仅是示例性的，并不试图限制本发明或其应用和用途。此外，没有意图通过前面的技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细描述中出现的任何明示或暗示的理论来加以约束。

本文可就功能和/或逻辑块部件以及各种处理步骤来描述本发明的实施例。应当意识到，这种块部件可由任何数量的构造成执行特定功能的硬件、软件和/或固件部件实现。例如，本发明的一个实施例可采用各种集成电路部件，例如存储器元件、受控开关、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，这些集成电路部件可在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下执行多种功能。另外，本领域技术人员将意识到，本发明的实施例可结合任意数量的车辆应用来实施，并且本文描述的系统仅仅是本发明的一个示例性实施例。为了简明起见，本文将不详细描述涉及车辆电气零件和系统其他功能方面的常规技术和部件(以及系统的各个操作部件)。此外，本文所含各个附图中所示的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应当指出，本发明实施例中也可具有许多替代性或额外的功能关系或物理连接。

下面的描述可涉及被“连接”或“联接”到一起的元件或节点或特征。如本文所使用的，除非以其他方式明确提及，否则“连接”指的是一个元件/节点/特征直接结合到另一个元件/节点/特征(或与另一个元件/节点/特征直接通信)，并且不一定通过机械方式。同样，除非以其他方式明确提及，否则“联接”指的是一个元件/节点/特征直接或非直接地结合到另一个元件/节点/特征(或与另一个元件/节点/特征直接或非直接地通信)，并且不一定通过机械方式。因此，尽管图2所示的示意图示出了元件的示例性布置结构，但本发明实施例中也可具有另外的中间元件、装置、特征或部件(假设系统的功能没有被负面影响)。

本文在一个实际的非限制应用的背景下描述本发明的实施例，该应用即诸如IPM电机的AC电机的控制系统。在这个背景下，示例技术可应用于适于混合动力车辆的系统操作。然而，本发明的实施例并不限于这种车辆应用，本文所描述的技术也可用于其他电驱动的控制应用中。

图1是功能方框图，示出了已有的矢量受控IPM电机的控制系统100，该矢量受控IPM电机适合用于混合动力车辆。这种系统是众所周知的并且因此本文将不详细描述系统100的工作。总的来说，控制系统100利用通量削弱控制环调节IPM电机的定子电流命令I_Q ^*的q轴分量(q轴电流命令)。控制系统100包括：电流命令3D表查找模块102、同步电流调节器模块116(具有动态过调制)、同步至静态转换模块118、PWM变换器120、静态至同步转换模块122、IPM电机124和场削弱模块114。控制系统100如下所述进行工作。

基于扭矩命令T^*、转子旋转速度ω_R以及DC链电压V_DC，利用电流命令3D表查找模块102产生优化电流命令(I_D ^*和I_Q ^*)。给表查找模块102的输入由电压传感器从输入到变换器120的V_DC提供，以及由位置传感器(图1中未示出)从IPM电机提供。如下所述，调节q轴电流命令I_Q ^*以获得已调节命令I_Q ^**。

来自IPM电机124的静态反馈电流I_D和I_Q(定子电流的d轴和q轴分量)被供给到同步电流调节器模块116，该同步电流调节器模块116产生同步电压命令(V_D ^*和V_Q ^*)。命令电压V_D ^*和V_Q ^*是利用转子角位置θ_R旋转的矢量，转子角位置θ_R由IPM电机124提供。电流调节器116的输出(即V_D ^*和V_Q ^*)被供给到同步至静态转换模块118以基于V_D ^*和V_Q ^*产生静态坐标系电压命令(V_AS ^*、V_BS ^*和V_CS ^*)。

静态坐标系电压命令V_AS ^*、V_BS ^*和V_CS ^*被供给到变换器120以产生各自的静态坐标系电流I_AS、I_BS和I_CS。变换器120可例如是PWM变换器，其向IPM电机124的定子绕组施加交变的三相电压。

然后，IPM电机124基于静态坐标系电流I_AS、I_BS和I_CS以旋转速度ω_R工作。

静态至同步转换模块122基于I_AS、I_BS、I_CS以及θ_R产生I_D和I_Q(定子反馈电流的d轴和q轴分量)。控制系统100另外的细节可在美国专利申请2005/0212471中找到，在此以引用的方式并入该申请的全部内容。

反电动势与旋转速度ω_R成比例，可通过计算由IPM电机124提供的转子角位置θ_R的导数来确定旋转速度ω_R。而且，电机的反电动势随着电机旋转速度ω_R的增加而增加。超过一定的旋转速度，IPM电机的电压可变得高于总线电压，导致电流反向流动(再生取代了驱动)。为了控制定子电流的分量I_D和I_Q，通过场削弱控制环减小电机通量。场削弱模块114基于V_D ^*和V_Q ^*产生调节电流命令ΔI_Q(ΔI_Q是调节q轴电流，其降低电机中的通量，但是也降低扭矩)以调节电流命令I_Q ^*。然后，加法器112将ΔI_Q加入I_Q ^*以产生已调节的电流命令I_Q ^**。

如将要根据图3进行解释的，以这种方式调节I_Q ^*导致扭矩降低。前述扭矩的降低使得可从IPM电机获得的最大扭矩减小，并且这可降低电机的效率。场削弱控制环模块114的另外的细节可在2006年10月25日提交的美国专利申请11/552,580(卷号GP-304998)中找到，在此以引用的方式并入该申请的全部内容。

为了在IPM电机的场削弱区域中保持扭矩线性，如下所述，使用了根据本发明一个实施例的扭矩线性环。

图2是方框图，示出了矢量受控IPM电机的控制系统200，该矢量受控IPM电机适合用于混合动力车辆。系统200包括根据本发明一个实施例的扭矩线性控制环，该扭矩线性控制环适合地构造成执行扭矩线性控制功能。系统200适合用于具有电牵引机的车辆(例如，电动车辆或混合动力车辆)。实际的控制系统200可包括不同于图2所示的多个电部件、电路和控制器单元。本文将不详细描述控制系统200的常规子系统、特征和方面。控制系统200具有类似于控制系统100的部件(在此将不冗余地描述共同的特征、功能和元件)。对于该实施例，如图2所示，控制系统200通常包括：电流命令3D表查找模块202、扭矩线性模块204、相电流限制器模块211、同步电流调节器模块216、同步至静态转换模块218、PWM变换器220、静态至同步转换模块222、IPM电机224和场削弱控制环模块214。系统200与IPM电机224一同工作。特别地，变换器220驱动IPM电机224。

扭矩线性模块204产生调节电流命令ΔI_D(ΔI_D是d轴中的调节电流，其降低电机中的通量，而扭矩线性得以维持)，如下所述，调节电流命令ΔI_D是基于ΔI_Q的。实际上，场削弱控制环模块214提供ΔI_Q。加法器210将ΔI_D加入I_D ^*以产生已调节的电流命令I_D ^**。已调节的电流命令I_D ^**经由相电流限制器模块211被供给到同步电流调节器模块216，相电流限制器模块211确保已调节的电流命令I_D ^**和I_Q ^**均在一定界限内。

对于该实施例，扭矩线性模块204包括比例增益模块206和联接到比例增益模块206的限制器模块208。比例增益模块206向ΔI_Q施加比例增益K。K可以是值的范围通常从约为1到约为3的常数，或者其可以是随着扭矩命令T^*和已调节电流命令I_Q ^***而变的变量。例如，可基于下面的关系计算K：

其中P是电机的极数，L_D和L_Q是d轴和q轴电机电感，T^*是扭矩命令，而I_Q ^***是受限的q轴电流命令。

将ΔI_Q乘以K得到输出电流调节命令ΔI_D。然后，ΔI_D被供给到限制器208以将电流调节命令ΔI_D保持在其范围(约-30到约0安培)内。

为了将I_D-I_Q矢量保持在每通量最大扭矩的范围内，使用了相电流限制器模块211。相电流限制器模块211构造成在任何DC电压V_DC以及电机转子角速度ω_R时设定最大相电流。图3是功能方框图，示出了相电流限制器模块211(参见图2)。最大可用电流块230提供作为V_DC和ω_R的函数的最大相电流I_S(max)。最大相电流I_S(max)在恒定扭矩区域中是常数。然而，在场削弱区域中，I_S(max)相应地降低以遵循每通量最大扭矩电机曲线。I_Q ^**首先在块250被I_S(max)限制，导致了受限q轴电流命令I_Q ^***。通过块240、260、270、280计算最大d轴电流命令为

然后，I_D ^**在块290被I_D(max)限制，导致了受限d轴电流命令I_D ^***。

图4是曲线图，示出了在具有和不具有扭矩线性控制块时的电流调节性能。如上所述，场削弱控制环模块214通过调节电流I_Q一个量ΔI_Q，保持电流调节器稳定于可用电压。然而，ΔI_Q将电流矢量310从恒定扭矩曲线T1上的点304移动到恒定扭矩曲线T2上的点308，由此与通量直接成比例地降低扭矩。所期望的是，将恒定扭矩曲线T1上的电流矢量保持在IPM电机的场削弱区域中。为此，扭矩线性模块204的控制环产生ΔI_D，ΔI_D将电流矢量310从恒定扭矩曲线T2上的点308移动到恒定扭矩曲线T1上的点306，由此将扭矩保持为恒定并且维持IPM电机的场削弱区域中的扭矩线性。本文描述的技术调节I_D和I_Q以降低场削弱区域中的通量，而同时保持扭矩线性。

通过这种方式，扭矩线性在IPM电机的场削弱区域中得以维持。

图5是方框图，示出了根据另一个实施例的AC电机的扭矩控制系统500。系统500适合用于混合动力车辆。扭矩控制系统500包括一些与上面参照图1和图2描述的部件或模块相同的部件或模块，为了简明起见，在此不再描述这些部件或模块。另外，为了清楚起见，包括了附图标记以标明系统500的各种信号。

在该示例性实施方式中，扭矩控制系统500包括电流命令查找表模块202，电流命令查找表模块202接收扭矩命令信号(T^*)136、转子角速度138和DC链电压139作为输入并且使用这些输入来产生d轴电流命令信号(I_D ^*)142和q轴电流命令信号(I_Q ^*)144。

系统500还包括用于调节q轴电流命令信号(I_Q ^*)144的扭矩线性模块204和用于调节d轴电流命令信号(I_D ^*)142的场削弱模块214。如下面将要描述的，系统500经由来自场削弱模块214的d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196调节原始的d轴电流命令信号(I_D ^*)142，并且扭矩线性模块204也使用该d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196以及其他输入来确定q轴调节电流命令信号(ΔI_Q ^*)200，q轴调节电流命令信号(ΔI_Q ^*)200用于调节q轴电流命令信号(I_Q ^*)144。

下面在电流调节器模块216处开始描述系统500的工作。在一个实施方式中，电流调节器模块216可以是“具有动态过调制的同步电流调节器模块”。

电流调节器模块216接收静态反馈d轴电流信号(I_D)132、静态反馈q轴电流信号(I_Q)134、受限d轴电流命令信号(I_D ^***)157和受限q轴电流命令信号(I_Q ^***)159，并且使用这些输入产生d轴电压命令信号(V_D ^*)172和q轴电压命令信号(V_Q ^*)174。尽管未示出，但电流调节器模块216通过从受限d轴电流命令信号(I_D ^***)157减去反馈d轴电流信号(I_D)132来计算d轴电流误差信号(图5中未示出)，并且将d轴电流误差信号乘以比例积分(PI)增益以计算d轴电压命令信号(V_D ^*)172。类似地，电流调节器模块216通过从受限q轴电流命令信号(I_Q ^***)159减去反馈q轴电流信号(I_Q)134来计算q轴电流误差信号(图5中未示出)，并且将q轴电流误差信号乘以比例积分(PI)增益以计算q轴电压命令信号(V_Q ^*)174。

电流调节器模块216联接到同步至静态转换模块218，并且将d轴电压命令信号(V_D ^*)172和q轴电压命令信号(V_Q ^*)174供应到同步至静态转换模块218以及供应到场削弱模块214。

基于这些信号，同步至静态转换模块218产生第一正弦电压命令(Vas)、第二正弦电压命令(Vbs)和第三正弦电压命令(Vcs)。同步至静态转换的过程在现有技术中是众所周知的，为了简明起见，将不进行详细描述。

场削弱模块214使用d轴电压命令信号(V_D ^*)172、q轴电压命令信号(V_Q ^*)174以及其他输入(未示出)来产生d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196，d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196被供应到加法器222并且被供应到扭矩线性模块204。总体上，d轴电压命令信号(V_D ^*)172和q轴电压命令信号(V_Q ^*)174可用于计算从调制指数参考信号减去的调制指数值，然后让结果经过PI控制器和负限制器模块以产生该调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196。产生d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196的技术在现有技术中是已知的，为了简明起见，这里将不进行详细描述。

扭矩线性模块204使用d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196、扭矩命令信号(T^*)136和受限d轴电流命令信号(I_D ^***)157产生q轴调节电流命令信号(ΔI_Q ^*)200。如图5所示，扭矩线性模块204包括微分增益模块206和联接到增益模块206的限制器模块208。

基于扭矩命令信号(T^*)136和受限d轴电流命令信号(I_D ^***)157计算微分增益模块206的微分增益dI_Q/dI_D，微分增益dI_Q/dI_D是扭矩命令信号(T^*)136和受限d轴电流命令信号(I_D ^***)157的函数。在一个实施方式中，基于公式(1)计算微分增益模块206的微分增益dI_Q/dI_D：

\frac{{dI}_{Q}}{{dI}_{D}} = \frac{4}{3 P} \times \frac{T^{*} \times (L_{Q} - L_{D})}{{[λ + I_{D}^{* * *} \times (L_{D} - L_{Q})]}^{2}}

公式(1)

在公式(1)中，P是电机的极数，T^*是扭矩命令信号(T^*)136，I_D ^***是第一受限电流命令信号(I_D ^***)157，其中，L_D和L_Q分别是电机的d轴电感和电机的q轴电感，并且λ是通量链合常数(flux linkageconstant)。

将d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196乘以微分增益以产生粗略的q轴调节电流命令信号198，粗略的q轴调节电流命令信号198被提供到限制器模块208。限制器模块208通过将粗略的q轴调节电流命令信号198限制在限制器模块208所设定的界限内而产生q轴调节电流命令信号(ΔI_Q ^*)200。例如，当粗略的q轴调节电流命令信号198在限制器模块208所设定的界限内时，q轴调节电流命令信号(ΔI_Q ^*)200等于粗略的q轴调节电流命令信号198。

加法器222使用d轴电流命令信号(I_D ^*)142和d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196产生已调节的d轴电流命令信号(I_D ^**)156，并且加法器210使用q轴电流命令信号(I_Q ^*)144和q轴调节电流命令信号(ΔI_Q ^*)200产生已调节的q轴电流命令信号(I_Q ^**)158。

已调节的d轴电流命令信号(I_D ^**)156和已调节的q轴电流命令信号(I_Q ^**)158被提供到相电流限制器模块211。如上面参照图2和图3描述的，相电流限制器模块211还接收DC链电压139和电机138的转子角速度。相电流限制器模块211使用这些输入并且限制已调节的d轴电流命令信号(I_D ^**)156以产生受限d轴电流命令信号(I_D ^***)157，以及限制已调节的q轴电流命令信号(I_Q ^**)158以产生受限q轴电流命令信号(I_Q ^***)159。如上所述，受限d轴电流命令信号(I_D ^***)157和受限q轴电流命令信号(I_Q ^***)159被提供到电流调节器模块216。

如现在将参照图6和图7描述的，系统500经由来自场削弱模块214的d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196调节原始的d轴电流命令信号(I_D ^*)142，并且扭矩线性模块204也使用d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196以及其他输入来确定q轴调节电流命令信号(ΔI_Q ^*)200，q轴调节电流命令信号(ΔI_Q ^*)200用于调节q轴电流命令信号(I_Q ^*)144。

图6是曲线图，示出了在q轴和d轴平面内一系列恒定扭矩曲线上绘制的每安培最大扭矩(MTA)曲线420(上曲线)和每伏特最大扭矩(MTV)曲线450(下曲线)。在图6中，MTA曲线420和MTV曲线450之间的区域代表第一场削弱区域，MTA曲线420上的点代表第二场削弱区域。取决于图5中的电机224被如何驱动，电机224可工作在沿着MTA曲线420的任何位置，或者沿着MTV曲线450的任何位置，或者MTA曲线420和MTV曲线450之间的任何位置。当电机224工作在MTA曲线420和MTV曲线450之间时，电机224工作在“第一场削弱区域”。

当电机224工作在从零(0 RPM)直到电机224的基本速度之间的任何速度时，电机224工作在恒定扭矩区域(即，沿MTA曲线420)。当电机224工作在从电机224的基本速度直到电机224的中等速度之间的任何速度时，电机224工作在第一场削弱区域。当电机224工作在从中等速度直到电机224的最大速度之间的任何速度时，电机224工作在第二场削弱区域。应当指出，基本速度、中等速度和最大速度高度取决于电机的参数。

因此，当电机工作在第一场削弱区域(即，在MTA曲线420和MTV曲线450之间，以及当电机224工作在从电机224的基本速度直到电机224的中等速度之间的任何速度时)时，系统500被使用或起作用。

每条向上开口的曲线均是对于扭矩命令信号(T^*)136的恒定扭矩值，反馈q轴电流信号(I_Q)134随反馈d轴电流信号(I_D)132变化的曲线，因此称为“恒定扭矩曲线”。每条恒定扭矩曲线代表不同的恒定扭矩值。换句话说，沿任一条恒定扭矩曲线，电机提供相同的扭矩值。从最下面的恒定扭矩曲线到最上面的恒定扭矩曲线，这些恒定扭矩值增大。每条恒定扭矩曲线示出了对于所施加的特定扭矩值，反馈q轴电流信号(I_Q)134如何随反馈d轴电流信号(I_D)132变化。

MTV曲线450(下曲线)和每条恒定扭矩曲线之间的交点代表每伏特最大扭矩。MTA曲线420(上曲线)和每条恒定扭矩曲线之间的交点代表产生特定扭矩值所需的最小相电流幅度。沿任一条恒定扭矩曲线，将产生相同的扭矩值，但所期望的是在最小相电流幅度的情况下产生该扭矩值。

如上面参照扭矩线性模块204所描述的，当电机224工作在场削弱区域时，扭矩命令信号(T^*)136和受限d轴电流命令信号(I_D ^***)157用于确定恒定扭矩线的斜率。

图7是曲线图，示出了一组曲线，所述曲线绘出了对于特定扭矩值，随反馈d轴电流信号(I_D)132变化的微分增益模块206的微分增益dI_Q/dI_D。每条曲线代表了不同的特定扭矩值。在一个实施方式中，可如上所示利用公式(1)实时地计算这组曲线。在另一个实施方式中，可提前计算这组曲线并且将其储存在实施于微分增益模块206的查找表中。该查找表可包括用于扭矩命令信号(T^*)136和受限d轴电流命令信号(I_D ^***)157的索引。微分增益dI_Q/dI_D代表恒定扭矩线的斜率。一旦计算了微分增益dI_Q/dI_D，则将其乘以d轴调节电流命令信号(ΔI_D ^*)196以获得粗略的q轴调节电流命令信号198，粗略的q轴调节电流命令信号198被提供到限制器模块208。扭矩线性模块204经由q轴调节电流命令信号(ΔI_Q ^*)200基于恒定扭矩线的斜率调节q轴电流命令信号(I_Q ^*)144。不管电机参数的变化，这些方式一起可改善场削弱区域中的扭矩线性。

再次参见图5，应当注意，根据本发明的一个示例性实施方式，扭矩控制系统500的架构被描述成其可能应用于混合动力/电动车辆(HEV)的马达驱动系统，其中，所述系统500用于经由三相变换器模块220通过调节控制三相IPM 224的电流命令来控制该三相IPM224。

尽管所示IPM 224是内永磁同步AC电动机，但应当意识到的是，所示实施例仅是可适用于所公开实施例的AC机械类型的一个非限制性示例，有鉴于此，所公开实施例可应用于任何类型的AC电机。此处，术语“AC电机”通常指“将电能转换为机械能或者反之亦然的装置或设备”。AC电机通常可分为同步AC电机和异步AC电机。同步AC电机可包括永磁电机和磁阻电机。永磁电机包括表面安装永磁(SMPM)电机和内永磁(IPM)电机。异步AC电机包括感应电机。尽管AC电机可以是AC电动机(即用于在其输入处转换AC电能或功率以产生机械能或功率的设备)，但AC电机并不限于是AC电动机，而是也可包括AC发电机，AC发电机用于在其原动机处将机械能或功率转换为其输出处的AC电能或功率。任何电机都可以是AC电动机或者AC发电机。AC电动机是由交流电(AC)驱动的电动机。AC电动机包括外静止定子和内转子，外静止定子具有线圈，线圈供应有交流电以产生旋转磁场，内转子附接到输出轴，旋转场给输出轴扭矩。取决于所使用的转子类型，AC电动机可分为同步的或异步的。同步AC电动机精确地以电源频率或电源频率的约数(sub-multiple)旋转。通过滑动环上流过的电流或者通过永磁体产生转子上的磁场。在AC电机是永磁同步AC电动机的实施方式中，其应当被理解为包括IPM电动机。相反，异步(或感应)AC电动机转动得略慢于电源频率。该电动机的转子上的磁场由感生电流形成。

虽然在前面的详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例，但是应当意识到仍然存在数量众多的变化形式。还应当意识到的是，该一个或多个示例性实施例仅仅是示例，而并不旨在以任何方式对本发明的范围、应用领域或构造进行限制。相反，前面的详细描述将向本领域技术人员提供用于实施该一个或多个示例性实施例的方便途径。应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可对元件的功能和布置进行各种改变，本发明的范围由所附权利要求及其法律等同物阐明。

Claims

1.一种用于电机的控制系统，所述控制系统包括：

电流调节器模块，其设计成产生第一电压命令信号和第二电压命令信号；

场削弱模块，其设计成基于所述第一电压命令信号和所述第二电压命令信号产生第一调节电流命令信号；和

扭矩线性模块，其设计成基于所述第一调节电流命令信号、扭矩命令信号和第一受限电流命令信号产生第二调节电流命令信号，其中，所述扭矩线性模块还包括：

微分增益模块，其具有基于所述扭矩命令信号和所述第一受限电流命令信号计算的微分增益，其中，所述第一调节电流命令信号乘以所述微分增益以产生粗略的第二调节电流命令信号；和

限制器模块，其联接到所述增益模块并且设计成通过将所述粗略的第二调节电流命令信号限制在所述限制器模块设定的界限内而产生所述第二调节电流命令信号；

其中，所述微分增益模块的所述微分增益是所述扭矩命令信号和所述第一调节的电流命令信号的函数；

其中，所述微分增益模块的所述微分增益基于下式计算：

其中，P是所述电机的极数，T*是所述扭矩命令信号，其中，I_D***是所述第一受限电流命令信号，其中，L_D和L_Q分别是所述电机的第一电感和第二电感，并且其中，λ是通量链合常数。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

电流命令查找表模块，所述电流命令查找表模块接收所述扭矩命令信号、转子角速度和DC链电压，并且所述电流命令查找表模块产生第一电流命令信号和第二电流命令信号。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：

第一加法器，其设计成基于所述第一电流命令信号和所述第一调节电流命令信号产生第一已调节的电流命令信号；和

第二加法器，其设计成基于第二电流命令信号和所述第二调节电流命令信号产生第二已调节的电流命令信号。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：

相电流限制器模块，所述相电流限制器模块接收DC链电压和所述电机的转子角速度，并且所述相电流限制器模块限制所述第一已调节的电流命令信号以产生所述第一受限电流命令信号以及限制所述第二已调节的电流命令信号以产生第二受限电流命令信号，所述第一受限电流命令信号被提供到所述电流调节器模块，所述第二受限电流命令信号被提供到所述电流调节器模块。

5.一种用于交流(AC)电机的控制系统，所述控制系统包括：

电流调节器模块，其设计成基于反馈d轴电流信号、反馈q轴电流信号、受限d轴电流命令信号和受限q轴电流命令信号产生d轴电压命令信号和q轴电压命令信号；

场削弱模块，其设计成基于所述d轴电压命令信号和所述q轴电压命令信号产生d轴调节电流命令信号；

第一加法器，其设计成基于d轴电流命令信号和所述d轴调节电流命令信号产生已调节的d轴电流命令信号；

扭矩线性模块，其设计成基于所述d轴调节电流命令信号、扭矩命令信号和所述已调节的d轴电流命令信号产生q轴调节电流命令信号；和

第二加法器，其设计成基于q轴电流命令信号和所述q轴调节电流命令信号产生已调节的q轴电流命令信号；

其中，所述扭矩线性模块还包括：

微分增益模块，其具有基于所述扭矩命令信号和所述受限d轴电流命令信号计算的微分增益，其中，所述d轴调节电流命令信号乘以所述微分增益以产生粗略的q轴调节电流命令信号；和

限制器模块，其联接到所述增益模块并且设计成通过将所述粗略的q轴调节电流命令信号限制在所述限制器模块设定的界限内而产生所述q轴调节电流命令信号；

其中，所述微分增益模块的所述微分增益是所述扭矩命令信号和所述已调节的d轴电流命令信号的函数；

其中，所述微分增益模块的所述微分增益基于下式计算：

其中，P是所述电机的极数，T*是所述扭矩命令信号，其中，I_D***是第一受限电流命令信号，其中，L_D和L_Q分别是所述电机的第一电感和第二电感，并且其中，λ是通量链合常数。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：

电流命令查找表模块，所述电流命令查找表模块接收所述扭矩命令信号、转子角速度和DC链电压，并且所述电流命令查找表模块产生所述d轴电流命令信号和所述q轴电流命令信号。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：

相电流限制器模块，所述相电流限制器模块接收DC链电压和所述电机的转子角速度，并且所述相电流限制器模块限制所述已调节的d轴电流命令信号以产生所述受限d轴电流命令信号以及限制所述已调节的q轴电流命令信号以产生所述受限q轴电流命令信号。

8.一种用于控制电机的方法，所述方法包括：

基于第一反馈电流信号、第二反馈电流信号、第一受限电流命令信号和第二受限电流命令信号产生第一电压命令信号和第二电压命令信号；

基于所述第一电压命令信号和所述第二电压命令信号产生第一调节电流命令信号；并且

基于所述第一调节电流命令信号、扭矩命令信号和所述第一调节的电流命令信号产生第二调节电流命令信号；

其中，产生第二调节电流命令信号的步骤包括：

基于所述扭矩命令信号和所述第一受限电流命令信号计算微分增益；

确定所述第一调节电流命令信号和所述微分增益的乘积以产生粗略的第二调节电流命令信号；并且

限制所述粗略的第二调节电流命令信号以产生所述第二调节电流命令信号；

其中，所述微分增益模块的所述微分增益基于下式计算：

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

接收所述扭矩命令信号、转子角速度和DC链电压；并且

基于所述扭矩命令信号、所述转子角速度和所述DC链电压产生第一电流命令信号和第二电流命令信号。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述第一电流命令信号加入所述第一调节电流命令信号以产生第一已调节的电流命令信号；并且

将所述第二电流命令信号加入所述第二调节电流命令信号以产生第二已调节的电流命令信号。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：

接收所述DC链电压和所述电机的所述转子角速度；

基于所述DC链电压和所述转子角速度限制所述第一已调节的电流命令信号以产生所述第一受限电流命令信号；并且

基于所述DC链电压和所述转子角速度限制所述第二已调节的电流命令信号以产生所述第二受限电流命令信号。