CN102257723B - 用于ac电动机的控制系统 - Google Patents

Abstract

用于AC电动机的控制系统确定转矩特性曲线(500)上与当前电动机运行状态和电压相位(ΘO)对应的运行点Pa上的切线TL的倾斜度KtI，转矩特性曲线是根据表示关于电动机运行状态和方波电压的电压相位的输出转矩特性的转矩公式绘制的。根据通过将用于前馈控制的转矩补偿量ΔTtl除以倾斜度KtI获得的ΔTtl/Ktl，控制系统还计算用于前馈控制的电压相位变化量θff。

Description

用于AC电动机的控制系统

技术领域

本发明涉及用于控制AC电动机的控制系统，特别涉及借助逆变器将DC电压转换为方波AC电压并将AC电压施加到AC电动机的电动机控制系统。

背景技术

一般使用经由逆变器将DC电压转换为AC电压并将AC电压施加到AC电动机以便在控制下驱动电动机的电动机控制系统。在这种类型的电动机控制系统中，电动机电流通常根据基于向量控制的正弦脉宽调制(PWM)控制得到控制，以便以高的效率驱动AC电动机。

然而，在正弦PWM控制下，逆变器输出电压基波分量不能充分升高，故电压利用率受到限制，这使得难以在高速区域中提供高的输出或功率。鉴于这一点，已经提出使用这样的控制方法：使得逆变器产生具有与正弦PWM控制下产生的相比较大的基波分量的输出电压。

日本特开No.2006-320039(JP-A-2006-320039)介绍了一种控制方法，根据该控制方法，具有与转换器可变地控制的电压的幅度相等的幅度的方波电压被施加到AC电动机。在JP-A-2006-320039介绍的控制方法中，特别地，方波电压的电压相位基本上根据转矩偏差改变，在电动机旋转速度迅速改变时，转换器的输出电压根据电动机速度的变化率而改变。

在用于控制在方波电压施加于其上的情况下旋转的AC电动机的驱动控制系统中，如日本特开No.2006-54995(JP-A-2006-54995)所介绍，计算根据基于检测电压/电流值的实际转矩值和指令转矩值确定的第一电压相位，根据基于电动机模型的推定转矩值和指令转矩值确定的第二电压相位，通过对第一与第二电压相位进行加权获得的值被用作方波电压的相位。

在JP-A-2006-320039和JP-A-2006-54995的控制系统中，方波电压的相位控制通过将AC电动机的实际或推定转矩馈送回到系统来进行。当转矩指令值在转矩反馈控制过程中改变时，检测由于转矩指令值的改变引起的转矩偏差(实际转矩和转矩指令值之间的差)，接着，根据用于消除转矩偏差的控制运算或计算来改变电压相位。因此，在当转矩指令值改变时的控制响应中存在改进空间。

同时，AC电动机的输出转矩不仅依赖于作为方波电压控制的操纵变量的电压相位而改变，而且依赖于电动机运行条件而改变，电动机运行条件的典型实例为电动机旋转速度。一般而言，输出转矩关于方波电压控制中的电压相位而非线性改变，因此，当实施基于转矩指令值的前馈控制时，可能需要复杂的运算(计算)和/或系统上的高负荷以计算与所需转矩补偿量对应的电压相位变化量。

发明内容

本发明提供了一种用于AC电动机的控制系统，其进行前馈控制，以便基于转矩指令值改变施加到AC电动机的方波电压的电压相位，使得通过简单的计算或运算获得用于实现转矩补偿的电压相位变化量。

本发明第一实施形态涉及一种用于AC电动机的控制系统，其包含逆变器和方波电压控制器。逆变器将DC电压转换为AC电压，以便驱动和旋转AC电动机。方波电压控制器被配置为控制施加到AC电动机的方波电压的电压相位，以便进行转矩控制。方波电压控制器包含线性近似单元和相位变化量计算单元。基于AC电动机的运行状态和电压相位，线性近似单元计算第一倾斜度，其作为AC电动机当前运行状态以及电压相位对应的第一运行点上的转矩变化与和电压相位变化之间的比。基于转矩控制的指令值，相位变化量计算单元计算转矩补偿量，并根据将转矩补偿量除以第一倾斜度获得的第一相位变化量计算电压相位变化量。

根据将与运行状态相关联的至少一个电动机变量以及电压相位用作变量的转矩公式，相位变化量计算单元可计算在与当前运行状态以及第一电压相位对应的第二运行点上的转矩值，并可计算作为第一及第二运行点之间转矩差与电压相位差的比的第二倾斜度，其中，第一电压相位是电压相位从当前值以第一相位变化量变化到的。另外，根据通过将转矩补偿量除以第二倾斜度获得的第二相位变化量，相位变化量计算单元可计算电压相位变化量。

相位变化量计算单元可进一步设置第三运行点，根据转矩公式计算第三运行点上的转矩值，并判断计算得到的转矩值和指令值之间的差是否小于预定值，其中，第三运行点对应于当前运行状态以及电压相位从当前值以第二相位变化量变化到的第二电压相位。于是，当该差等于或大于预定值时，相位变化量计算单元可进一步计算第三倾斜度，并根据通过将转矩补偿量除以第三倾斜度获得的第三相位变化量计算电压相位变化量，其中，第三倾斜度作为第三及第一运行点之间的转矩差与电压相位差之间的比。

在上面介绍的布置中，特别地，相位变化量计算单元可包含更新单元和转矩差判断单元。基于第一运行点及当前获得的第三运行点之间的转矩差与电压相位差的比，更新单元更新第三倾斜度和第三相位变化量。并将第三运行点更新为这样的运行点：其与当前运行状态以及电压相位从当前值以更新的第三相位变化量改变到的电压相位对应。每当第三运行点被更新单元更新时，转矩差判断单元将更新的第三运行点上的转矩值与指令值之间的差和预定值进行比较，只要该差等于或大于预定值，使得更新单元重复进行第三运行点上的更新操作。

本发明第二实施形态涉及一种用于AC电动机的控制系统，其包含逆变器和方波电压控制器。逆变器将DC电压转换为AC电压，以便驱动和旋转AC电动机。方波电压控制器对施加到AC电动机的方波电压的电压相位进行控制，以便进行转矩控制。方波电压控制器包含线性近似单元、相位变化量计算单元、正/负检查单元、第一与第二转矩计算单元、转矩差判断单元和更新单元。基于AC电动机的运行状态和电压相位，线性近似单元计算第一倾斜度，其作为和AC电动机的当前运行状态及电压相位对应的第一运行点上的转矩变化与电压相位变化之间的比。基于转矩控制的指令值，相位变化量计算单元计算转矩补偿量，并通过将转矩补偿量除以第一倾斜度来计算第一相位变化量。正/负检查单元判断电压相位从其当前值以第一相位变化量改变到的第一电压相位和指令值是否具有相同的符号，并在第一电压相位和指令值具有相反符号时，将第一电压相位校正到预定值，而在第一电压相位与指令值具有相同符号时保持第一电压相位。根据将与AC电动机的运行状态相关联的至少一个电动机变量以及电压相位用作变量的转矩公式，第一转矩计算单元计算在第二运行点上的转矩值，其中，第二运行点与校正或保持的第一电压相位以及当前运行状态对应。转矩差判断单元判断在第二运行点上的转矩值和指令值之间的差是否小于预定值。当转矩差判断单元判断为该差等于或大于预定值时，通过将转矩补偿量除以作为当前获得的第二运行点及第一预定点之间的转矩差与电压相位差之比的第二倾斜度，更新单元确定第二相位变化量，并将第二运行点更新为与当前运行状态以及电压相位从当前值以第二相位变化量改变到的第二电压相位对应的运行点。每当第二运行点被更新单元更新时，根据转矩公式，第二转矩计算单元计算更新的第二运行点上的转矩值。每当转矩值由第一或第二转矩计算单元计算时，转矩差判断单元判断转矩值和指令值之间的差是否小于预定值。另外，如果转矩差判断单元判断为该差小于预定值，根据当前获得的第二运行点和第一运行点之间的电压相位差，相位变化量计算单元计算电压相位变化量。

当第一电压相位和指令值具有相反的符号时，正/负检查单元可将第一电压相位设置为这样的电压相位：AC电动机的输出转矩实质上等于零。

方波电压控制器还可包含相位变化限制单元，其在计算得到的电压相位变化量在规定范围之外时，对由相位变化量计算单元计算的电压相位变化进行校正，使得变化量落在规定范围内。

根据最后的控制周期与当前控制周期之间的指令值变化量，相位变化量计算单元可计算转矩补偿量。

根据将与AC电动机的运行状态相关联的至少一个电动机变量和电压相位用作变量的转矩公式，相位变化量计算单元可计算第一运行点上的转矩值，并可根据转矩值与指令值之间的差来计算转矩补偿量。

根据通过将转矩公式——其将与AC电动机的运行状态相关联的至少一个电动机变量和电压相位用作变量——关于电压相位进行微分获得的微分公式，线性近似单元可计算第一倾斜度。

方波电压控制器还可包含反馈控制单元和计算单元。反馈控制单元通过关于与指令值的转矩偏差的反馈来控制方波电压的电压相位。根据由反馈控制单元设置的电压相位和由相位变化量计算单元计算的变化量的和，计算单元设置电压相位的指令值。

AC电动机可安装在电动车辆上，并可产生用于驱动电动车辆的车辆驱动力。

根据本发明，可进行基于转矩指令值改变施加到AC电动机的方波电压的电压相位的反馈控制，使得用于实现转矩补偿的电压相位变化量可通过简单的计算或运算获得。

附图说明

在下面的参照附图对示例性实施例的详细介绍中，将会介绍本发明的特征、优点以及技术与工业显著性，在附图中，相似的号码用于表示相似的元件，且其中：

图1示出了根据本发明一实施例的AC电动机用控制系统的整体构造；

图2为一表格，用于阐释图1所示电动机控制系统的逆变器的电力转换中使用的控制方法；

图3为一图表，用于示出AC电动机的运行条件和控制模式之间的一般关系；

图4为一图表，用于示出方波电压控制中的电压相位与转矩之间的关系；

图5为一功能框图，用于示出根据第一实施例的方波电压控制的控制配置；

图6为一图表，用于详细阐释由图5所示前馈控制器进行的前馈项的详细计算；

图7为一流程图，用于示出方波电压控制的控制程序；

图8为一流程图，用于详细阐释图7中计算前馈项的过程；

图9为一图表，用于阐释根据第一实施例的第一修改实例在方波电压控制中由前馈控制器进行的前馈项计算；

图10为一流程图，用于详细阐释根据第一实施例的第一修改实例在方波电压控制中计算前馈项的过程；

图11为一图表，用于阐释根据第一实施例的第二修改实例在方波电压控制中由前馈控制器进行的前馈项计算；

图12为一功能框图，用于示出根据第一实施例的第二修改实例用于方波电压控制的前馈控制器的构造；

图13为一流程图，用于详细阐释根据第一实施例的第二修改实例在方波电压控制中计算前馈项的过程；

图14为一图表，用于阐释根据本发明第二实施例在方波电压控制中由前馈控制器进行的前馈项计算；

图15为一功能框图，用于示出根据第二实施例用于方波电压控制的前馈控制器的构造；

图16为一流程图，用于详细阐释根据第二实施例在方波电压控制中计算前馈项的过程；

图17为一图表，用于阐释转矩和电压相位之间的符号(正或负)不匹配；

图18为一功能框图，用于示出根据本发明第三实施例用于方波电压控制的前馈控制器的构造；以及

图19为一流程图，用于详细阐释根据第三实施例在方波电压控制中计算前馈项的过程。

具体实施方式

下面将参照附图详细介绍本发明的某些实施例。在下面的介绍和附图中，同样的参考标号被分配给同样或对应的元件或部件，一般不再重复对其进行阐释。

第一实施例图1示出了根据本发明第一实施例的AC(交流)电动机用控制系统的整体构造。

参照图1，电动机控制系统100包含DC电压产生部分10#、平滑电容器C0、逆变器14、控制装置30和AC电动机M1。

AC电动机M1为这样的电动机：其可操作为产生用于驱动例如混合动力车或电气车辆的电动车辆的驱动轮的转矩。在此实施例中，电动车辆包括其上装有用于产生车轮驱动力的电动机的所有类型的车辆，包括没有发动机的电气车辆在内。AC电动机M1通常被配置为具有电动机和发电机二者的功能。当用于混合动力车时，AC电动机M1可被配置为具有由发动机驱动的发电机的功能。另外，AC电动机M1可装在混合动力车中，以便作为用于发动机的电动机的运行，例如用于启动发动机的电动机。

DC电压产生部分10#包含DC电源B、系统继电器SR1与SR2、平滑电容器C1以及转换器12。

例如，DC电源B包含例如镍金属氢化物或锂离子电池的二次电池、燃料电池、电气双层电容器或其组合。DC电源B的DC电压输出Vb由电压传感器10进行测量。电压传感器10向控制装置30发送测量得到的DC电压Vb。

系统继电器SR1连接在DC电源B的正端子和电力线6之间，系统继电器SR2连接在DC电源B的负端子和地线5之间。系统继电器SR1、SR2响应于来自控制装置30的信号SE开通/关断。平滑电容器C1连接在电力线6和地线5之间。

转换器12包含电抗器L1、功率半导体开关器件Q1与Q2以及二极管D1与D2。

功率半导体开关器件Q1与Q2串联连接在电力线7和地线5之间。功率半导体开关器件Q1与Q2的ON/OFF状态根据来自控制装置30的开关控制信号S1与S2相应地受到控制。

在本发明此实施例中，IGBT(绝缘栅型双极型晶体管)、功率MOS(金属氧化物半导体)晶体管、功率双极晶体管等可被用作功率半导体开关器件(下面简称为“开关器件”)。反并联二极管D1、D2分别连接到开关器件Q1与Q2。

电抗器L1连接在开关器件Q1及Q2的连接节点和电力线6之间。平滑电容器C0连接在电力线7和地线5之间。

逆变器14包含U相臂15、V相臂16和W相臂17，其彼此并联布置在电力线7和地线5之间。各相臂主要包含串联连接在电力线7和地线5之间的开关器件。例如，U相臂15主要包含开关器件Q3、Q4，V相臂16主要包含开关器件Q5、Q6，W相臂17主要包含开关器件Q7、Q8。另外，反并联二极管D3-D8分别连接到开关器件Q3-Q8。开关器件Q3-Q8的ON/OFF状态根据来自控制装置30的开关控制信号S3-S8受到控制。

各相臂的中间点连接到AC电动机M1的对应相线圈。典型地，AC电动机M1为三相永磁电动机，其包含在一端连接到公共中点的U、V、W相三个线圈。U、V、W线圈各自的另一端连接到U、V、W相臂15-17中对应一个的开关器件之间的中间点。

转换器12在作为升压变换器运行时，将供自DC电源B的DC电压Vb升压或增大到DC电压VH(其对应于到逆变器14的输入电压，也将被称为“系统电压”)，并将DC电压VH供到逆变器14。转换器12在作为降压变换器运行时，对经由平滑电容器C0供自逆变器14的DC电压(系统电压)进行降压，并将结果得到的电压供到DC电源B，用于充电。在升压和降压变换期间，开关器件Q1、Q2的ON/OFF状态响应于来自控制装置30的开关控制信号S1、S2受到控制。如果开关器件Q1与Q2分别被固定为ON与OFF状态，使得DC电压VH等于Vb(即电压比等于1.0)。

平滑电容器C0对来自转换器12的DC电压进行平滑，并将平滑后的DC电压供到逆变器14。电压传感器13测量平滑电容器C0的相反末端之间的电压，即测量系统电压VH，并将测量得到的电压发送到控制装置30。

如果AC电动机M1的转矩指令值为正(Tqcom＞0)，通过开关器件Q3-Q8的响应于来自控制装置30的开关控制信号S3-S8的开关操作，逆变器14将供自平滑电容器C0的DC电压转换为施加到电动机的适当的电压(AC电压)，并驱动AC电动机M1以产生正的转矩。如果AC电动机M1的转矩指令值等于零(Tqcom＝0)，通过响应于开关控制信号S3-S8的开关操作，逆变器14将DC电压转换为将施加到电动机的适当的电压(AC电压)，并驱动AC电动机M1，使得转矩变为等于零。通过这种方式，AC电动机M1被驱动为产生由转矩指令值Tqcom指定的零或正的转矩。

在装有电动机控制系统100的电动车的再生制动时，AC电动机M1的转矩指令值Tqcom被设置为负值(Tqcom＞0)。在这种情况下，通过响应于开关控制信号S3-S8的开关操作，逆变器14对AC电动机M1产生的电力的AC电压进行转换，并经由平滑电容器C0将结果得到的DC电压(系统电压)供到转换器12。这里提到的再生制动包括在足刹踏板被驾驶电动车的驾驶者操作的情况下伴随着再生发电的制动，以及在不操作足刹的情况下通过在行驶期间释放加速器踏板对车辆进行减速(或停止加速)以便进行再生发电。

电流传感器24测量流入AC电动机M1的电动机电流，并将测量得到的电动机电流发送到控制装置30。由于三相电流iu、iv、iw的瞬时值的总和等于零，电流传感器24可被布置为检测两相的电动机电流(例如V相电流iv和W相电流iw)，如图1所示。

旋转角度传感器(解算器)25测量AC电动机M1的转子的旋转角度ANG，并将测量得到的旋转角度ANG发送到控制装置30。控制装置30基于旋转角度ANG计算AC电动机M1的旋转速度(用每单位时间旋转数(典型地，rpm)表示)和角速度ω(rad/s)。如果控制装置30直接由电动机电压或电流计算旋转角度ANG，可省略旋转角度传感器25。

控制装置30包含电子控制单元(ECU)——其包含未示出的CPU(中央处理单元)和存储器，基于存储在存储器中的映射图和程序，使用从相应的传感器接收的测量值来进行计算。通过计算，控制装置30控制电动机控制系统100的运行，使得AC电动机M1根据来自更高等级的ECU的运行指令运行。将会明了，控制装置30的部分可由硬件——例如电子电路——提供，其执行特定的数学或逻辑运算。

具体而言，基于转矩指令值Tqcom、由电压传感器10测量的电池电压Vb、由电压传感器13测量的系统电压VH、从电流传感器24接收的电动机电流iv与iw以及从旋转角度传感器25接收的旋转角度ANG，控制装置30控制转换器12和逆变器14的运行，使得AC电动机M1通过将在下面介绍的方法产生与转矩指令值Tqcom相应的转矩。也就是说，控制装置30以上面介绍的方式产生用于控制转换器12和逆变器14的开关控制信号S1-S8，并将开关控制信号S1-S8传送到转换器12和逆变器14。

当转换器12作为升压变换器运行时，控制装置30以反馈方式控制平滑电容器C0的输出电压VH，并产生开关控制信号S1、S2，使得输出电压VH变为等于电压指令值。

如果控制装置30从更高等级的ECU接收到指示电动车正在运行在再生制动模式的信号RGE，控制装置30产生开关控制信号S3-S8，以便将由AC电动机M1产生的电力的AC电压转换为DC电压，并将信号S3-S8传送到逆变器14。结果，逆变器14将由AC电动机M1产生的AC电压转换为对应的DC电压，并将DC电压供到转换器12。

另外，如果控制装置30从外部ECU接收到指示电动车正在运行在再生制动模式的信号RGE，控制装置30产生开关控制信号S1与S2以便降低供自逆变器14的DC电压，并将信号S1、S2传送到转换器12。结果，AC电动机M1产生的AC电压被转换为DC电压，其接着被降压并供到DC电源B。另外，控制装置30产生用于开/关系统继电器SR1、SR2的信号SE并将信号SE传送到系统继电器SR1、SR2。

接着，将在下面详细介绍逆变器14在控制装置30的控制下进行的电力转换。

如图2所示，根据本发明此实施例的电动机控制系统100使用三种控制模式中选定的一种用于逆变器14中的电力转换。

正弦PWM控制被用作一般的PWM控制，其中，各相臂的开关器件的ON/OFF状态根据采用正弦波形式的电压指令值或信号与载波(典型地，三角波)之间的电压比较而受到控制。结果，对于与上臂器件(图1中的Q3，Q5，Q7)的ON周期对应的高置(high level)周期和与下臂器件(Q4，Q6，Q8)的ON周期对应的低置(low level)周期的集合，占空比受到控制，使得基波分量以给定的期间提供正弦波。如现有技术中公知的，在正弦PWM控制下，施加到AC电动机M1的线电压的基波分量(有效值)可仅仅增加逆变器输入电压的0.61倍。在此说明书中，AC电动机M1的线电压的基波分量(有效值)与逆变器14的DC链路电压(即系统电压VH)之比将被称为“调制比”。

另一方面，在方波电压控制模式中，与方波的一个脉冲——其在高置周期与低置周期之间的比为1∶1——对应的电压以上面提到的给定期间被施加到AC电动机M1。结果，调制比可增大到0.78。

在过调制PWM控制模式中，关于电压指令的幅度大于载波幅度的区域，进行类似于上面介绍的正弦PWM控制的PWM控制。特别地，通过使电压指令偏离其原始正弦波形失真，基波分量可增大，调制比可增大到从正弦PWM控制模式中可用的最大调制比到0.78的范围。

随着AC电动机M1的输出转矩或旋转速度增大，在AC电动机M1中感应的电压增大，导致所需要的驱动电压(需要的电动机电压)的增大。因此，转换器12升压的电压或系统电压VH需要被设置在高于所需电动机电压的等级。另一方面，存在对由转换器12升压的电压或系统电压VH的限制(最大VH电压)。

相应地，依赖于AC电动机M1的运行状态，有选择地进行PWM控制模式——其中，进行正弦PWM控制或过调制PWM控制，以便基于电动机电流反馈来控制电动机施加电压(AC)的幅度和相位——和方波电压控制模式中的任意一个。在方波电压控制模式中，电动机施加电压的幅度固定；因此，基于实际转矩值与转矩指令值的偏差，转矩通过方波电压脉冲的相位控制得到控制。

图3示出了AC电动机M1的运行状态和上述控制模式之间的关系。参照图3，在低速范围A1中使用正弦PWM控制，以便减小转矩变动，在中速区域A2中使用过调制PWM控制，而在高速区域A3中使用方波电压控制。特别地，过调制PWM控制和方波电压控制的使用带来AC电动机M1的输出的改进。因此，如图2所示控制模式中的哪一个将被使用基本上在可在各种模式中实现的调制比范围内确定。

在上面所述的控制模式中，正弦PWM控制和过调制PWM控制可使用现有技术中已知的特定控制配置或方案实现。例如，PWM控制可通过从转矩指令值Tqcom获得d轴和q轴电流指令值以使AC电动机M1的输出转矩变得等于转矩指令值Tqcom，并基于因此获得的电流指令值以反馈方式控制电动机电流(Id，Iq)来实现。

根据本发明的AC电动机用控制系统在AC电动机M1的方波电压控制中具有重大特征。因此，下面将详细介绍方波电压控制的控制配置。

根据本发明此实施例的AC电动机方波电压控制根据输出转矩关于电压相位θv的变化来进行，如图4所示。

参照图4，当正转矩被产生时(Tqcom＞0)，电压相位θv通常根据转矩偏差(即实际转矩与转矩指令值的偏差)来控制，使得电压相位θv在转矩被判断为不足时超前，并使电压相位θv在转矩被判断为过多时滞后。当负的转矩被产生时(Tqcom＜0)，电压相位θv根据转矩偏差受到控制，使得在转矩被判断为不足时电压相位θv被延迟，并使得在转矩被判断为过多时电压相位被超前。

图5为一功能框图，示出了方波电压控制的特定控制配置。参照图5，方波电压控制块400包含电力计算单元410、转矩计算单元420、偏差计算单元425、反馈控制器430、前馈控制器440、加法单元或加法器450、方波产生器460、信号产生单元470。前馈控制器440包含线性近似单元442和相位变化量计算单元445。

图5中的各个功能块根据由控制装置30执行的特定程序和/或由控制装置30中的电子电路(硬件)执行的控制操作来实现。当方波电压控制模式被应用时，根据图5的配置的方波电压控制以给定的控制周期或以给定的间隔执行。

根据下面的公式(1)，基于包括由电流传感器24检测的V相电流iv和W相电流iw在内的各相电流(U相电流，V相电流，W相电流)以及各相电压即U相、V相和W相电压Vu、Vv、Vw，电力计算单元410计算提供给电动机的电力(电动机电力)Pmt。

Pmt＝iu·Vu+iv·Vv+iw·Vw    (1)

根据下面的公式(2)，使用由电力计算单元410获得的电动机电力Pmt和由旋转角度传感器25检测的AC电动机M1的旋转角度ANG计算的角速度ω，转矩计算单元420计算推定转矩值Tq，θv。

Tq＝Pmt/ω    (2)

将会明了，推定转矩(即确定推定转矩值Tq)的方法不限于上面介绍的使用电力计算单元410和转矩计算单元420的方法，转矩可通过其他任何方法来推定。例如，转矩传感器可代替电力计算单元410和转矩计算单元420被设置，推定转矩值Tq可借助转矩传感器来获得。

基于推定转矩值Tq和转矩指令值Tqcom，偏差计算单元425计算转矩偏差ΔTq(ΔTq＝Tqcom-Tq)。

使用给定的增益，基于转矩偏差ΔTq，反馈控制器420进行比例积分(PI)运算，以便获得偏差或控制误差，并基于因此获得的偏差来计算方波电压相位的反馈项θfb。具体而言，当正转矩被产生时(Tqcom＞0)，计算反馈项θfb，使得如果转矩被判断为不足则电压相位超前，如果转矩被判断为过剩，电压相位被延迟，如图4所示。当负转矩被产生时(Tqcom＜0)，反馈项θfb被计算，使得如果转矩被判断为不足则电压相位被延迟，如果转矩被判断为过剩则电压相位超前，如图4所示。

通过上述方式，基于转矩偏差通过反馈控制设置的反馈项θfb由反馈控制器430获得。然而，将要注意的是，电压相位为方波电压控制中的唯一操纵变量，因此，相比于电动机施加电压的幅度和相位可作为操纵变量受到控制的PWM控制，控制响应相对较低。另外，用于从检测到的电动机电流值中移除噪音等等的滤波或滤波器处理在电力计算单元410的电力计算(公式1)中是不可避免的，因此，难以仅仅用反馈控制确保足够的控制响应。

通过用于对作为与AC电动机M1的运行状态相关联的变量(其也将被称为“电动机变量”)的旋转速度Nm和系统电压VH中的变化以及转矩指令值Tqcom中的变化进行处理的前馈控制，反馈控制器440设置方波电压相位θff。旋转速度Nm可由旋转角度传感器25测量的AC电动机M1的旋转角度ANG计算。系统电压VH可由电压传感器13测量的电压或电压指令值VH#获得。

加法单元450将由反馈控制获得的电压相位(反馈项)θfb与由前馈控制获得的电压相位(前馈项)θff相加，从而设置表示方波电压的相位指令的电压相位θv。

方波产生器460根据由加法单元450设置的电压相位θv产生U相、v相和W相电压指令值(方波脉冲)Vu、Vv、Vw。信号产生单元470根据U相、V相、W相电压指令值Vu、Vv、Vw产生开关控制信号S3-S8。逆变器14根据开关控制信号S3-S8进行开关操作，使得根据电压相位θv产生的方波电压被施加到电动机的相应相。

采用上面的布置，控制响应可通过借助前馈控制处理转矩指令值Tqcom中的变化来增强。另外，前馈控制与反馈控制的组合使得可以消除偏移(offset)或稳态偏差。

然而，在前馈控制中，在关于转矩指令值Tqcom和电动机变量的变化设置前馈项θff中存在问题。通常，在AC电动机M1中，转矩关于电动机变量和电压相位非线性变化。因此，需要在落在一个控制周期内的计算时间(周期)中或者在不过多增大各个控制周期的计算负荷的情况下判断前馈项θff。转矩和电动机变量之间的非线性关系可预先绘制为映射图。然而，如果映射图中的点数增大以改进控制准确性，存储用于映射图的大量数据，这可能占据ECU存储区域的过大的部分。

相应地，此实施例的前馈控制器440被如下所述地配置，以便限制或减小前馈控制需要的计算负荷以及对于前馈控制存储的数据量。

为了阐释根据此实施例的方波电压前馈控制，首先将阐释关于电压相位和指示电动机运行条件的电动机变量的输出转矩特性(其将被简称为“转矩特性”)。

反映电动机运行条件的转矩特性由如下所述用于计算转矩的公式或表达式明了。如公知的那样，永磁型同步电动机的d轴和q轴的电压的公式和转矩公式由下面的公式(3)-(5)给出：

Vd＝Ra·Id-ω·Lq·Iq          (3)

Vq＝ω·Ld·Id+Ra·Iq+ω·Ψ   (4)

T＝P{Ψ·Iq+(Ld-Lq)·Id·Iq}   (5)

在上面的公式(3)-(5)中，Ra表示电枢绕组电阻，Ψ表示永磁体的电枢磁链数，P表示AC电动机M1的磁极对数，ω表示AC电动机M1的电角速度。电角速度ω可使用电动机旋转速度Nm(rpm)根据公式ω＝2π·(Nm/60)·P来确定。

依赖于绕组电阻的电压分量在非常低速范围内对d轴和q轴电压中的每一个产生贡献，其他分量随着旋转速度增大而变得占优势。相应地，鉴于方波电压控制在高速区域中采用(见图2)，依赖于绕组电阻的分量可在公式(3)、(4)中忽略。因此，上面指出的公式(3)、(4)被重新写为用于方波电压控制的下面的公式。

Vd＝-ω·Lq·Iq         (6)

Vq＝ω·Ld·Id+ω·Ψ   (7)

当考虑d轴电压和q轴电压表示的电动机施加电压(线电压)的基波分量在方波电压控制期间为系统电压的0.78倍时，表示方波电压的电压相位θ和AC电动机M1的输出转矩T之间的关系的转矩公式(8)可通过将公式(6)、(7)应用于上面所示的公式(5)来获得。

$T=P\·\mathrm{\ψ}\·\left[\frac{0.78}{\mathrm{Ld}}\right]\·\left[\frac{\mathrm{VH}}{\mathrm{\ω}}\right]\·\sin \mathrm{\θ}+\frac{P}{2}\·\frac{(\mathrm{Ld}-\mathrm{Lq})\·{0.78}^2}{\mathrm{Ld}\·\mathrm{Lq}}\·{\left[\frac{\mathrm{VH}}{\mathrm{\ω}}\right]}^2\·\sin 2\mathrm{\θ}---\left(8\right)$

$\mathrm{Ka}=P\·\mathrm{\ψ}\·\left[\frac{0.78}{\mathrm{Ld}}\right]$

$\mathrm{Kb}=\frac{P}{2}\·\frac{(\mathrm{Ld}-\mathrm{Lq})\·{0.78}^2}{\mathrm{Ld}\·\mathrm{Lq}}$

由上面的公式(8)将会明了，在不参阅映射图的情况下，通过将表示电动机运行条件的电动机变量VH、ω(Nm)代入转矩公式(8)，当前运行条件下电压相位θ和转矩T之间的关系通过计算获得。在上面的公式(8)中，ψ表示AC电动机M1的反电动势系数。由于常数Ka、Kb作为电动机常数预先固定，上面的公式(8)可被改写为下面的公式(9)。也就是说，公式(8)、(9)为转矩公式，根据该公式，使用作为变量的电动机变量VH、ω和电压相位θ来计算转矩。

$T=\mathrm{Ka}\·\left[\frac{\mathrm{VH}}{\mathrm{\ω}}\right]\·\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Kb}\·{\left[\frac{\mathrm{VH}}{\mathrm{\ω}}\right]}^2\·\sin 2\mathrm{\θ}---\left(9\right)$

通过将上述公式(9)对于电压相位θ微分，由公式(9)得出下面的用于计算在当前电动机运行条件和电压相位下转矩变化与电压相位变化之比Kt1的公式(10)。

$\mathrm{Kt}1=\mathrm{Ka}\left[\frac{\mathrm{VH}}{\mathrm{\ω}}\right]\·\cos \mathrm{\θ}+2\mathrm{Kb}\·{\left[\frac{\mathrm{VH}}{\mathrm{\ω}}\right]}^2\·\cos 2\mathrm{\θ}---\left(10\right)$

下面参照图6，将介绍构成前馈控制器440的线性近似单元442和相位变化量计算单元445的功能。

参照图6，通过将当前电动机运行条件(电动机变量)代入公式(9)，得到转矩特性曲线500。通过将与公式(9)中使用的那些相同的电动机变量代入公式(10)，得到转矩特性曲线500上的各个运行点上的切线TL的倾斜度Ktl。

位于转矩特性曲线500上并与当前电压相位θ0对应的运行点Pa对应于AC电动机M1的当前运行条件和电压相位。如图5所示的线性近似单元442根据上面的公式(10)使用当前电动机变量(Nm，VH)和电压相位θ0确定运行点Pa上的切线倾斜度Ktl。切线倾斜度Ktl等效于在当前电动机运行条件和电压相位下转矩变化和电压相位变化之比。也就是说，相对于电压相位的转矩变化特性可通过确定切线倾斜度Ktl来线性近似。

基于转矩指令值Tqcom，图5所示的相位变化量计算单元445计算需要的转矩补偿量ΔTt1。例如，转矩补偿量ΔTt1根据在当前控制周期中获得的转矩指令值Tqcom和在上一控制周期中获得的转矩指令值Tqcom之间的差来计算。或者，可提供根据上面的公式(9)计算转矩的转矩计算单元444，可计算当前运行点Pa上的转矩值，转矩补偿量ΔTt1可根据因此计算的转矩值和在当前控制周期中获得的转矩指令值Tqcom之间的差来计算。

于是，切线TL上的运行点Pc——输出转矩从运行点Pa的输出转矩以转矩补偿量ΔTt1变化于其上——的电压相位θ1根据切线的倾斜度Kt1获得。也就是说，补偿转矩补偿量ΔTt1需要的电压相位变化量θt1(＝θ1-θ0)根据下面的公式(11)获得。也就是说，运行点Pa可被看作“第一运行点”，倾斜度Kt1可被看作“第一倾斜度”，根据公式(11)获得的θt1(或图6中的θff)可被看作“第一相位变化量”。

θtl＝ΔTtl/Ktl    (11)

于是，相位变化量计算单元445向加法单元450发送作为前馈项θff的根据公式11获得的电压相位变化量θt1。

如将从上面的公式(9)明了的，难以根据公式(9)由当前电动机运行条件以及目标转矩值进行逆运算以获得与转矩指令值Tqcom对应的电压相位θv。也就是说，难以直接计算位于转矩特性曲线500且与转矩指令值Tqcom对应的运行点Pb。在此实施例中，另一方面，基于由线性近似单元442获得的运行点Pa上的切线倾斜度Kt1，通过相对较为简单的计算，相位变化量计算单元445(图5)能够获得前馈项θff。

由图6可以明了，如果响应于转矩指令值Tqcom中的变化仅进行反馈控制，基于检测到的转矩偏差ΔTq，运行点在转矩特性曲线上从Pa逐渐变化或移动到Pb。另一方面，不依赖于反馈控制地进行前馈控制，使得运行点从运行点Pa变化到与电压相位θ1对应的转矩特性曲线500上的运行点Pd。通过后面的反馈控制，AC电动机M1受到控制，使得当前位于Pd上的运行点逐渐逼近与转矩指令值Tqcom对应的希望的运行点Pb。因此，由于转矩指令值Tqcom的变化导致的转矩偏差可得到减小，转矩响应可得到增强。

下面将使用图7和图8的流程图详细介绍根据第一实施例实现方波电压控制的控制程序或过程。当方波电压控制模式被选择时，以给定的控制周期或以给定的间隔执行图7和图8的控制程序。

在控制装置30执行预先存储的特定程序的情况下，下面介绍的包括图7和图8的在内的各个流程图中的各个步骤可通过软件处理实现，或者，通过由控制装置30提供的电子电路的操作实现的硬件处理实现。

参照图7，在步骤S100中，控制装置30获取AC电动机M1的转矩指令值Tqcom。于是，基于作为与转矩指令值Tqcom的偏差的转矩偏差ΔTq，通过反馈控制运算(计算)，控制装置30在步骤S110中计算电压相位控制的反馈项θfb。具体而言，步骤S110的操作对应于图5的反馈控制器430的功能。

在步骤S120中，基于AC电动机M1的电动机运行条件和转矩指令值Tqcom，控制装置30进一步设置电压相位控制的前馈项θff。也就是说，步骤S120的操作对应于图5的前馈控制器440的功能。

在步骤S130中，通过将反馈项θfb和前馈项θff相加，控制装置30计算在当前控制周期中获得的电压相位θv。也就是说，步骤S130的操作对应于图5的加法单元450的功能。

于是，在步骤S140中，根据在步骤S130中计算的电压相位θv，控制装置30产生逆变器控制指令，具体而言，产生逆变器14的开关指令，也就是说，开关器件Q3-Q8的开关控制信号S3-S8。步骤S140的操作对应于图5的方波产生器460和信号产生单元470的功能。

接着，将参照图8详细介绍图7的步骤S120中的计算前馈项的操作。

参照图8，控制装置30在步骤S210中读取当前电动机运行条件(VH，Nm)和转矩指令值Tqcom，以便获取图6的运行点Pa。

于是，控制装置30在步骤230中根据上面所示的公式(10)计算运行点Pa上的切线TL的倾斜度Ktl。也就是说，步骤S220的操作对应于线性近似单元442(图5)的功能。

在步骤S230中，基于转矩指令值Tqcom，控制装置30计算将通过前馈控制补偿的转矩补偿量ΔTtl。如上所述，转矩补偿量ΔTtl可根据当前周期和上一控制之间的转矩指令值Tqcom的变化或根据公式(9)的计算结果和当前控制周期的转矩指令值Tqcom之间的差计算。

于是，控制装置30在步骤S240计算运行点从运行点Pa沿着切线TL以与转矩变化ΔTtl对应的距离移动到的运行点Pc上的电压相位θ1，并在步骤S250中将运行点Pa、Pc之间的电压相位差(θ1-θ0)设置为前馈项θff。也就是说，根据上面所示的公式(11)计算前馈项θff。

根据第一实施例的方波电压控制，基于相对于电压变化的转矩变化特性的线性近似，在由当前电动机运行条件和电压相位定义的运行点上——该点位于表示电压相位与转矩之间关系的非线性特性曲线上，通过简单的计算，可实现基于转矩指令值的前馈控制。

因此，通过前馈控制，在不使获得电压相位变化量(前馈项θff)的计算复杂化和/或增大计算负荷的情况下，可以增强转矩指令值变化时的控制响应。

第一实施例的第一修改实例在根据第一实施例的操作(图6)中，基于转矩特性曲线500上的当前运行点Pa上的切线的倾斜度，前馈项θff通过获得切线TL上的运行点Pc而不是原来获得的转矩特性曲线500上的运行点Pb来计算。相应地，以上述方式设置的前馈项θff中可发生大的误差，这是因为，依赖于电压相位涉及的区域，运行点Pb和Pc之间的差可能由于运行点Pa、Pb上的切线的倾斜度之间的差而变大。

因此，在第一实施例的第一修改实例中，将介绍具有改进的准确性的计算前馈项θff的方法，也就是说，使得前馈项θff更为接近图6中的当前运行点Pa与希望的运行点Pb之间的电压相位差(θ0-θ0#)的操作。

参照图9，如上面关于第一实施例所阐释的那样，获得位于转矩特性曲线500上且与当前电动机运行条件对应的当前运行点Pa上的切线TL的倾斜度Ktl，获得运行点沿着切线TL从运行点Pa以与电压相位变化ΔTtl/Ktl对应的距离移动到的运行点Pc(电压相位θ1)。

在根据第一实施例的第一修改实例的方波电压前馈控制中，进一步获得位于转矩特性曲线500上并与运行点Pc具有同样的电压相位θ1的运行点Pd(转矩值T2)。于是，获得位于经过运行点Pa和Pd的直线520上且在转矩从运行点Pa的转矩以转矩补偿量ΔTtl变化时到达的运行点Pe。由图9可在几何上理解，相比于运行点P c的电压相位θ1，运行点Pe的电压相位θ2更接近于希望运行点Pb的电压相位θ0#。

根据第一实施例的第一修改实例的方波电压控制与根据第一实施例的方波电压控制的不同在于前馈项(图7中的步骤S120)的计算根据图10所示的流程图进行。第一修改实例在其他方面与第一实施例相同，不再对其重复进行介绍。根据如图10所示的计算过程，获得运行点Pa和运行点Pe之间的电压相位差。

参照图10，通过进行与图8中的步骤S210-S240类似的操作，控制装置30在步骤S300中设置运行点Pc(电压相位θ1)。于是在步骤S310中，根据上面所示的公式(9)，控制装置30计算位于转矩特性曲线500上并具有电压相位θ1的运行点上的转矩值。通过这种方式，获得运行点Pd的转矩值T2。

于是，在步骤S320中，控制装置30计算经过运行点Pa和Pd的直线520的倾斜度k＝(T1-T2)/(θ0-θ1)。这里，运行点Pa的转矩值T1也可由转矩计算单元444(图5)根据公式(9)来计算。或者，在上一控制周期中获得的转矩指令值Tqcom可用作转矩值T1。

于是，在步骤S330中，基于在步骤S320中获得的倾斜度k和转矩补偿值ΔTtl(步骤230)，控制装置30计算位于直线520上并具有以ΔTtl/k与运行点Pa的电压相位不同的电压相位的运行点Pe的电压相位θ2。于是，在步骤S251中，控制装置30将运行点Pa与Pe之间的电压相位差ΔTtl/k设置为前馈项θff。

也就是说，运行点Pd可被看作“第二运行点”，倾斜度k可被看作“第二倾斜度”，基于ΔTtl/k获得的θff可被看作“第二相位变化量”。

根据按照第一实施例的第一修改实例的方波电压的前馈控制，用于补偿转矩补偿量ΔTtl的电压相位变化量，即前馈项θff，可以根据转矩公式和其差分公式以改进的准确度设置。因此，转矩指令值改变时的前馈控制的控制响应可被进一步得到增强。

第一实施例的第二修改实例在第一实施例的第二修改实例中，将介绍具有更高准确度的确定前馈项θff的方法。

图11为一图表，用于阐释根据第一实施例的第二修改实例在方波电压控制中对积分项漂移量的计算。

参照图11，在第一实施例的第二修改实例中，以与第一实施例的第一修改实例相同的方式获得运行点Pe，于是，进一步获得位于转矩特性曲线500上并具有与运行点Pe相同的电压相位θ2的运行点Pf(转矩值T3)。

于是，如果转矩差|T3-Tqcom|等于或大于预定值，获得经过运行点Pa和Pf的直线530的倾斜度k’，运行点Pe被更新到位于直线530上并具有从运行点Pa的电压相位θ0以ΔTtl/k’移动到的电压相位的运行点。因此，相比于更新之前的运行点Pe的电压相位，更新后的运行点Pe的电压相位更加接近于希望运行点Pb的电压相位θ0#。

由于运行点Pf随着运行点Pe更新而更新，转矩差|T3-Tqcom|被重新评估。因此，每当运行点Pe被更新时，将转矩差|T3-Tqcom|与预定值相比较，只要转矩差|T3-Tqcom|等于或大于预定值，重复运行点Pe和Pf的更新。此控制布置使得可以在前馈控制被执行后将转矩偏差控制在给定范围内。

也就是说，运行点Pf可被看作“第三运行点”，倾斜度k’可被看作“第三倾斜度”，同时，基于ΔTtl/k’获得的θff可被看作“第三相位变化量”。

根据第一实施例的第二修改实例的方波电压控制与第一实施例中的不同在于，前馈控制器440的构造被修改为图12所示，且前馈项θff根据图13所示的流程图来计算(在图7的步骤S120中)。第二修改实例在其他方面与第一实施例相同，因此不再重复进行详细介绍。

参照图12，在根据第一实施例的第二修改实例的方波电压控制中，除了图5所示的布置之外，相位变化量计算单元445还包含更新单元446和转矩差判断单元448。根据来自转矩差判断单元448的更新指令RP，更新单元446在上面提到的运行点Pe、Pf上进行更新操作。转矩差判断单元448判断运行点Pf的转矩值T3与转矩指令值Tqcom之间的转矩差|T3-Tqcom|是否等于或小于预定值，并根据判断结果来产生更新指令RP。

图13示出了用于计算前馈项的过程或程序，其在根据第一实施例的第二修改实例的方波电压控制中由前馈控制器440(控制装置30)执行。

参照图13，控制装置30执行与图10中类似的步骤S300-S330，以便设置运行点Pe(电压相位θ2)。另外，在步骤S340中，控制装置30获得位于转矩特性曲线500上并具有电压相位θ2的运行点Pf的转矩值T3。于是，控制装置30将转矩指令值Tqcom和运行点Pf的转矩值T3之间的转矩差(绝对值)和预定的阈值ε进行比较。

如果转矩差|T3-Tqcom|小于ε(即如果在步骤S350中获得否定决定(否))，当使用运行点Pf时出现的转矩偏差被推测为小于阈值ε。相应地，控制装置30进行到步骤S252，以便将运行点Pa、Pe之间的电压相位差设置为前馈项θff。也就是说，前馈项θff根据公式θff＝θ0-θ2来设置。

当步骤S350中转矩偏差|T3-Tqcom|等于或大于ε时(即当在步骤S350中获得肯定决定(是)时)，控制装置30执行步骤S360-S380，以便更新运行点Pe、Pf，从而使得运行点Pf更加接近于希望的运行点Pb。

具体而言，在步骤S360中，控制装置30判断经过运行点Pa和当前周期的运行点Pf的直线530的倾斜度k’，并在步骤S370中将运行点Pe(电压相位θ2)更新为位于直线530上且具有从运行点Pa的以ΔTtl/k’移动的电压相位的点。

在步骤S380中，控制装置30通过计算转矩特性曲线500上的点的转矩来更新转矩值T3，该点具有与在步骤S370中更新的运行点Pe相同的电压相位。在因此更新的转矩值T3的情况下，运行点Pf也被更新。基于更新后的转矩值T3，再次作出步骤S350的判断。

于是，用于更新运行点Pe、Pf的步骤S360到S380的更新过程重复执行，直到偏差|T3-Tqcom|变为小于ε并在步骤s350中获得否定决定(否)。

因此，前馈项θff可被设置为使得执行前馈控制时的转矩偏差变得等于或小于ε。鉴于控制装置30的计算负荷和要求的计算时间，在步骤S350中获得否定决定(否)时用于更新运行点Pe、Pf的更新过程(步骤S360-S380)的执行次数可预先限制为给定的次数(例如一次或两次以上)。

根据第一实施例的第二修改实例的方波电压控制，根据转矩公式及其差分公式，用于补偿转矩补偿量ΔTtl的电压相位变化量或前馈项θff可以以更高的准确度设置，使得转矩偏差变得小于预定值(阈值ε)。

第二实施例在第二实施例中，将介绍通过重复根据第一实施例的计算前馈控制项的过程进行的前馈控制。

图14为一图表，用于阐释根据第二实施例在方波电压控制中通过前馈控制器进行的前馈项的计算。

参照图14，基于用上面示出的公式(9)表示的转矩特性曲线500上的切线倾斜度计算第二实施例的前馈控制中使用的前馈项。由于转矩特性曲线500涉及如由公式(9)理解的三角函数，存在与同一转矩对应的两个或多于两个的电压相位。因此，如果当前运行点Pa在切线倾斜度小的相位区域中存在，例如图14所示，运行点Pd可被设置为位于转矩特性曲线500上并具有远离希望电压相位(θ0#)的电压相位θ1(图14)的运行点。即使在因此确定的电压相位θ1的情况下，根据公式(9)使用电压相位θ1计算的转矩等于转矩指令值Tqcom，因此，判断为AC电动机能够产生与转矩指令值Tqcom匹配的转矩。因此，需要解决如何排除或消除计算电压相位或前馈项时的这种误差的问题。

在第二实施例的前馈控制中，结合电压相位正确性或适宜性的判断，重复执行与第一实施例(及其第一与第二修改实例)中相似的基于切线倾斜度的电压相位计算，使得计算前馈项的过程容易且正确地实现。

如从图14将会明了的，当正转矩指令被产生时(Tqcom＞0)，电压相位应当为正值(θ1＞0)，当负转矩指令被产生时(Tqcom＜0)，电压相位应当为负值(θ1＜0)。相应地，通过检查转矩指令值Tqcom的符号(正或负)是否与电压相位θ1的相匹配，如图14所示电压相位的错误设置可得到避免。

如果转矩指令值Tqcom的符号(正或负)不与电压相位θ1的符号匹配，也就是说，转矩值指令值Tqcom和电压相位θ1为相反的符号，则电压相位θ1被更新为给定的相位(例如，在输出转矩＝0时电压相位＝0)。结果，运行点Pd也被更新为位于转矩特性曲线500上并与更新的电压相位对应的运行点。

于是，判断更新的运行点Pd的转矩值和转矩指令值之间的转矩差。如果转矩差等于或大于预定值，获得连接运行点Pa和当前运行点Pd的直线520的倾斜度k，运行点Pd进一步通过以下方式更新：获得位于直线520上且转矩与运行点Pa的转矩相差ΔTtl的运行点的电压相位，根据上面的公式(9)计算获得的电压相位(θ2)的转矩值。运行点Pd的更新重复执行，直到转矩差变得小于预定值，当转矩差变得小于预定值时，根据运行点Pd的电压相位来设置前馈项。

通过上述方式，可以根据第一实施例基于转矩特性曲线500上的切线倾斜度重复计算电压相位，使得转矩偏差变得小于预定值，同时，防止电压相位被设置在转矩指令值Tqcom的符号(正或负)不与电压相位的相匹配的区域中。

第二实施例的方波电压控制与第一实施例的不同之处在于，前馈控制器440的配置被改为图15所示，前馈项θff根据图16所示的流程图计算(在图7的步骤S120中)。第二实施例在其他方面与第一实施例基本相同，不再重复对其进行详细介绍。

参照图15，在第二实施例的方波电压控制中，前馈控制器440包含线性近似单元440、相位变化量计算单元445、转矩计算单元444、正/负检查单元443和转矩差判断单元448。相位变化量计算单元445具有更新单元446。

基于线性近似单元442计算的切线倾斜度Ktl和转矩补偿量(ΔTtl)，相位变化量计算单元445计算电压相位θ1(θ1＝θ0+ΔTtl/Ktl)。正/负检查单元443检查计算得到的电压相位θ1的符号(正或负)是否与转矩指令值Tqcom的相匹配。如果这些值为相反的符号，正/负检查单元443将电压相位θ1变为预定值(例如0)，如果这些值为相同的符号，保持电压相位θ1。

通过根据上面示出的公式(9)的转矩计算，使用由正/负检查单元443改正或保持的电压相位θ1和当前电动机运行条件，转矩计算单元444获得转矩值T2。也就是说，转矩值T2的计算等效于运行点Pd(第二运行点)的判断。转矩计算单元444进行的转矩计算对应于“第一转矩计算单元”的功能。

转矩差判断单元448判断由转矩计算单元444计算的转矩值T2和转矩指令值Tqcom之间的差|T2-Tqcom|是否大于预定值ε。如果|T2-Tqcom|大于或等于ε，要求更新运行点Pd的标示FT被设置为ON。如果|T2-Tqcom|小于ε，标示FT被设置为OFF。

响应于设置标示FT为ON，更新单元446进行运行点Pd上的更新操作。具体而言，更新单元446获得位于连接运行点Pa与当前运行点Pd的直线上且具有与运行点Pa的相差ΔTtl的相位的运行点的电压相位θ2。于是，运行点Pd被更新为位于转矩特性曲线500上并具有电压相位θ2的运行点。此过程类似于图11中确定运行点Pe和Pf的过程(第一实施例的第二修改实例)。图11的运行点Pf对应于作为由更新单元446进行的更新的结果获得的运行点Pd(第二运行点)。

每当更新单元446响应于标示FT(ON)更新运行点Pd时，使用由更新单元446获得的电压相位θ2和当前电动机运行条件，根据公式(9)，通过转矩计算，转矩计算单元444获得更新运行点Pd的转矩值T2。转矩计算单元444的转矩计算对应于“第二转矩计算单元”的功能。

另外，转矩差判断单元448将更新转矩值T2与转矩指令值Tqcom的偏差|T2-Tqcom|与预定值ε进行比较。

如果|T2-Tqcom|等于或大于ε，更新单元446更新连接当前运行点Pd(在更新后)与运行点Pa的直线，并将电压相位θ2更新为位于更新后的直线上且具有与运行点Pa的转矩相差ΔTtl的转矩的运行点的电压相位。根据更新后的电压相位，转矩值T2由转矩计算单元444更新，转矩值T2和转矩指令值Tqcom之间的转矩差由转矩差判断单元448评估。因此，上面介绍的一系列更新操作重复执行，直到关于在更新运行点Pd上的转矩值T2满足关系|T2-Tqcom|＜ε。

如果|T2-Tqcom|变得小于ε，根据运行点Pa与在|T2-Tqcom|变得小于ε时获得的运行点Pd之间的电压相位差(θ0-θ1或θ0-θ2)，相位变化量计算单元445设置前馈项θff。

图16示出了用于计算前馈项的过程或程序，其在根据第二实施例的方波电压控制中由前馈控制器440(控制装置30)执行。

参照图16，控制装置30在步骤S300中通过进行与图8的步骤S210-S240类似的操作来设置运行点Pc(电压相位θ1)。

控制装置30检查在步骤S300中获得的电压相位θ1的符号(正或负)是否与步骤S400中的转矩指令值Tqcom的匹配。如果这些值(θ1与Tqcom)为相同的符号(即，如果在步骤S400中获得肯定的决定(是))，控制装置30进行到步骤S420，以便保持在步骤S300中获得的电压相位θ1。如果这些值为相反的符号(即如果在步骤S400中获得否定的决定(否))，控制装置30进行到步骤S410，以便将电压相位θ1改变为预定值(典型地，在转矩＝0的情况下，θv＝0)。也就是说，步骤S400到S420的操作对应于图15的正/负检查单元443的功能。

在步骤S430中，使用在步骤S410中校正的或在步骤S420中保持的电压相位θ1，根据反映当前电动机运行条件的公式(9)，控制装置30计算转矩值T2。如上所述，转矩值T2的计算等效于运行点Pd的确定。步骤S430的操作由图15的转矩计算单元444实现。

在步骤S440中，控制装置30判断在步骤S430中计算的转矩值T2和转矩指令值Tqcom之间的差|T2-Tqcom|是否等于或大于预定值ε。如果|T2-Tqcom|等于或大于ε(即，如果在步骤S440中获得肯定的决定(是))，控制装置30产生执行用于更新运行点Pd的步骤S460-S480的过程的指令。也就是说，步骤S440的操作对应于图15的转矩差判断单元448的功能。

在步骤S460中，控制装置30计算经过运行点Pa和在执行此步骤时的运行点Pd的直线520的倾斜度k＝(T1-T2)/(θ0-θ1)。在此连接中，运行点Pa的转矩值T1也可由转矩计算单元444(图15)根据公式(9)计算。或者，在上一控制周期中获得的转矩指令值可被用作转矩值T1。

在步骤S470中，基于在步骤S460中获得的倾斜度k和转矩补偿量ΔTtl，控制装置30计算电压相位从运行点Pa的电压相位以ΔTtl/k在直线520上移动到的电压相位θ2。于是，运行点Pd被更新为位于转矩特性曲线500且具有电压相位θ2的运行点(S470)。也就是说，步骤S460和S470的操作对应于图15的更新单元446的功能。

在步骤S480中，使用更新的电压相位θ2和当前电动机运行条件，通过根据公式(9)的转矩计算，控制装置30获得更新运行点Pd的转矩值T2。步骤S480的操作也由图15的转矩计算单元444实现。

在步骤S460到S480中更新运行点Pd后，使用更新的转矩值T2，控制装置30在步骤S440中做出关于转矩差的判断。于是，如果|T2-Tqcom|等于或大于ε(即，如果在步骤S440中获得肯定决定(是))，步骤S460到S480的过程再次执行，以便在此时间点上(在其被更新后)进一步更新运行点Pd。也就是说，步骤S460到S480的更新过程重复执行，直到关于在更新后的运行点Pd上的转矩值T2满足|T2-Tqcom|＜ε的关系(步骤S440中的否)。鉴于控制装置30的计算负荷和需要的计算时间，步骤S460到S480的更新过程的执行次数可预先限制为预定的次数。

如果关于在步骤S430或步骤S480中计算的转矩值T2满足|T2-Tqcom|＜ε的关系(步骤S440中的否)，控制进行到步骤S450。在步骤S450中，控制装置30根据运行点Pa和在执行步骤S450时的运行点Pd之间的电压相位差(θ0-θ1或θ0-θ2)来设置前馈项θff。

因此，根据第二实施例的方波电压前馈控制，当用于补偿转矩补偿量ΔT1的电压相位变化量根据转矩公式及其差分公式计算时，可以通过用于将转矩偏差减小到小于预定值的反复计算来设置前馈项，同时，基于转矩指令值和电压相位之间的符号(正或负)匹配，避免设置不适宜的电压相位。

特别地，基于与第一实施例中类似的线性近似(运行点Pa上的切线倾斜度)设置前馈项的正常/异常基于转矩指令值和电压相位之间的符号(正或负)匹配来判断，这使得不必使用涉及例如判断值调节的任意异常判断操作。也就是说，前馈项可使用对于前馈项正常地被设置的情况和前馈项异常地被设置的情况二者通用的计算过程来适当地计算，因此使得可以实现能平滑地应用到实际机器的前馈控制操作。

第三实施例在第二实施例中，根据上面示出的公式(9)，转矩指令值Tqcom的符号(正或负)被假设为与电压相位θv的符号(正或负)匹配。

然而，在转矩值接近于零的区域中，如图17所示，转矩指令值Tqcom的符号(正或负)可能并非必然与电压相位θv的一致，这是由于当推导公式(9)时忽略的绕组电阻的影响。也就是说，在图17所示的图表的原点附近，实际存在电压相位为负而转矩值为正的相位区域，该区域可被称为“符号不匹配区域”。

如果转矩指令值在上面介绍的相位区域中被设置，前馈项可能并非根据第二实施例的前馈控制适宜地设置。在第三实施例中，将介绍甚至在此区域中正常地设置前馈项的较为简单的计算过程。

第三实施例的方波电压控制与第一实施例中的不同在于前馈控制器440的配置变为图18中所示的，且前馈项θff根据图19所示的流程图计算(在图7的步骤S120中)。第三实施例在其他方面与第一实施例基本相同，不再重复对其详细进行介绍。

参照图18，除了与图5类似的线性近似单元442和相位变化量计算单元445以外，第三实施例的前馈控制器440还包含相位变化限制单元449。当由相位变化量计算单元445计算的前馈项θff超过规定范围时，相位变化限制单元449对前馈控制下的电压相位变化量进行限制，即对前馈项θff进行限制，使得前馈项θff落在规定范围内。规定范围可由前馈项θff自身的值(绝对值)定义，或者，可由前馈项θff与当前电压相位θ0的比(θff/θ0)或其绝对值定义。

图19示出了用于计算第三实施例的方波电压控制中使用的前馈项的过程或程序的细节。

参照图19，在步骤S250(图8)或步骤S251(图10)中设置前馈项θff之后，控制单元30在步骤S550中判断前馈项θff是否超过规定范围。也就是说，第三实施例的方波电压控制与根据第一实施例或其第一修改实例(或当更新次数限制在第一实施例的第二修改实例中受到限制时)的前馈项计算组合，其中，计算不重复执行，直到转矩偏差变得小于预定值ε。

在步骤S500中，作为相位变化限制的一个实例，将前馈项θff与当前电压相位θ0的比的绝对值|θff/θ0|与限制值θlm进行比较。如果|θff/θ0|等于或小于θlm(即如果在步骤S500中获得否定决定(否))，控制装置30在S510中保持在步骤S250或步骤S251中设置的前馈项θff。

另一方面，如果|θff/θ0|大于θlm(即如果在步骤S500中获得肯定决定(是))，在步骤S520-S540中，控制装置30校正前馈项θff，使得其落在规定范围内。例如，当限制值θlm被如上所述地设置为前馈项θff与当前电压相位θ0之比时，控制装置30在步骤S520中判断前馈项θff的符号(正或负)，如果θff大于0(即如果在步骤S520中获得肯定决定(是))，在步骤S530中将前馈项θff改变为θ0·θlm。另一方面，如果θff小于0(即如果在步骤S520中获得否定决定(否))，控制装置30在步骤S540中将前馈项θff改变为-θ0·θlm。

因此，根据第三实施例的方波电压前馈控制，用于补偿转矩补偿量ΔTtl的电压相位变化量(前馈量)可通过如同第一实施例或其第一修改实例的简单计算确定。另外，通过限制各个控制周期中用前馈项θff表示的相位变化量，可以防止不适当的前馈项θff由于简化计算而被设置，如参照图14和图17所阐释的那样。因此，计算电压相位变化量(前馈相θff)的过程可在不受到错误设置前馈项的不良影响的情况下简化，因此确保前馈控制的增强的稳定性。

作为所示实施例的优选示例性布置，电动机控制系统的DC电压产生部分10#包含转换器12，使得施加到逆变器14的输入电压(系统电压VH)可以可变地受到控制。然而，DC电压产生部分10#不限于实施例的这种布置，只要逆变器14的输入电压能够可变地受到控制。另外，逆变器输入电压可变不是实质性的，本发明也可应用于DC电源B的输出电压照原样施加到逆变器的布置(例如，转换器12不布置在DC电源B和逆变器14之间的布置)。

另外，转矩公式反映的电动机变量不限于上面介绍的那些(Nm和VH)。

在所示的实施例中，提供电动机控制系统的负载的AC电动机假设为安装在电动车(例如混合动力车或电气车辆)上的永磁电动机。然而，本发明也适用于具有作为负载用于其他类型设备或负载的特定AC电动机的系统。

本说明书介绍的实施例应当理解为是说明性的而不是进行限制。本发明的范围由权利要求书限定，而不是由实施例的上述说明限定，并旨在包括落入权利要求书及其等价内容限定的本发明的范围的所有修改或改变。

Claims (14)

1.一种用于AC电动机的控制系统，包含：

逆变器，其将DC电压转换为AC电压，用于驱动和旋转AC电动机；以及

方波电压控制器，其控制施加到AC电动机的方波电压的电压相位，以便进行转矩控制，其中，

方波电压控制器包含：

线性近似单元，其基于AC电动机的运行状态和电压相位计算第一倾斜度，第一倾斜度作为第一运行点上的转矩变化与电压相位变化的比，所述第一运行点与当前运行状态以及电压相位对应；以及

相位变化量计算单元，其基于转矩控制的指令值计算转矩补偿量，并根据将转矩补偿量除以第一倾斜度获得的第一相位变化量来计算电压相位变化量。

2.根据权利要求1的控制系统，其中：

根据将与运行状态以及电压相位相关联的至少一个电动机变量用作变量的转矩公式，相位变化量计算单元计算第二运行点上的转矩值，其中，第二运行点与当前运行状态以及电压相位从当前值以第一相位变化量变化到的第一电压相位对应；

相位变化量计算单元计算第二倾斜度，第二倾斜度作为第一及第二运行点之间的转矩差与电压相位差的比；且

根据通过将转矩补偿量除以第二倾斜度获得的第二相位变化量，相位变化量计算单元计算电压相位变化量。

3.根据权利要求2的控制系统，其中：

相位变化量计算单元设置第三运行点，根据转矩公式计算第三运行点上的转矩值，并判断计算得到的转矩值和指令值之间的差是否小于预定值，其中，第三运行点与当前运行状态以及电压相位从当前值以第二相位变化量变化到的第二电压相位对应；且

当计算得到的第三运行点上的转矩值和指令值之间的差等于或大于预定值时，相位变化量计算单元计算第三倾斜度，并根据通过将转矩补偿值除以第三倾斜度获得的第三相位变化量来计算电压相位变化量，其中，第三倾斜度作为第三及第一运行点之间的转矩差与电压相位差的比。

4.根据权利要求3的控制系统，其中，

相位变化量计算单元包含：

更新单元，基于第一运行点及当前获得的第三运行点之间的转矩差与电压相位差的比，所述更新单元更新第三倾斜度和第三相位变化量，并将第三运行点更新为这样的运行点：其与当前运行状态以及电压相位从当前值以更新的第三相位变化量变化到的电压相位对应；以及

转矩差判断单元，每当第三运行点被更新单元更新时，所述转矩差判断单元将更新的第三运行点上的转矩值与指令值之间的差和预定值进行比较，只要更新的第三运行点上的转矩值与指令值之间的差等于或大于预定值，使得更新单元重复进行第三运行点上的更新操作。

5.根据权利要求1-3中任意一项的控制系统，其中，方波电压控制器还包含相位变化限制单元，当计算得到的电压相位变化量在规定范围之外时，所述相位变化限制单元对由相位变化量计算单元计算得到的电压相位变化量进行校正，使得该变化量落在该规定范围内。

6.一种用于AC电动机的控制系统，包含：

逆变器，其将DC电压转换为AC电压，用于驱动和旋转AC电动机；以及

方波电压控制器，其对施加到AC电动机的方波电压的电压相位进行控制，以便进行转矩控制，其中，

方波电压控制器包含：

线性近似单元，基于AC电动机的运行状态和电压相位，所述线性近似单元计算第一倾斜度，第一倾斜度作为第一运行点上的转矩变化与电压相位变化的比，所述第一运行点与当前运行状态及电压相位对应；

相位变化量计算单元，基于转矩控制的指令值，所述相位变化量计算单元计算转矩补偿量，并通过将转矩补偿量除以第一倾斜度来计算第一相位变化量；

正/负检查单元，其判断电压相位从其当前值以第一相位变化量变化到的第一电压相位和指令值是否具有相同的符号，并在第一电压相位和指令值具有相反符号时，将第一电压相位校正到预定值，而在第一电压相位与指令值具有相同符号时，保持第一电压相位；

第一转矩计算单元，根据将与AC电动机的运行状态以及电压相位相关联的至少一个电动机变量用作变量的转矩公式，所述第一转矩计算单元计算第二运行点上的转矩值，所述第二运行点与被校正或保持的第一电压相位以及当前运行状态对应；

转矩差判断单元，其判断第二运行点上的转矩值和指令值之间的差是否小于预定值；

更新单元，当转矩差判断单元判断为第二运行点上的转矩值和指令值之间的差等于或大于预定值时，通过将转矩补偿量除以第二倾斜度，所述更新单元确定第二相位变化量，并将第二运行点更新为与当前运行状态以及电压相位从当前值以第二相位变化量变化到的第二电压相位对应的运行点，其中，所述第二倾斜度作为当前获得的第二运行点及第一运行点之间的转矩差与电压相位差的比；以及

第二转矩计算单元，每当第二运行点被更新单元更新时，根据转矩公式，所述第二转矩计算单元计算更新的第二运行点上的转矩值，

其中，

每当转矩值由第一或第二转矩计算单元计算时，转矩差判断单元判断转矩值和指令值之间的差是否小于预定值；且

如果转矩差判断单元判断为由第一或第二转矩计算单元计算得到的转矩值和指令值之间的差小于预定值，根据当前获得的第二运行点和第一运行点之间的电压相位差，相位变化量计算单元计算电压相位变化量。

7.根据权利要求6的控制系统，其中，当第一电压相位和指令值具有相反的符号时，正/负检查单元将第一电压相位设置为这样的电压相位：在该电压相位上，AC电动机的输出转矩实质上等于零。

8.根据权利要求1或6的控制系统，其中，根据最后的控制周期与当前控制周期之间的指令值变化量，相位变化量计算单元计算转矩补偿量。

9.根据权利要求1的控制系统，其中，根据将与AC电动机的运行状态及电压相位相关联的至少一个电动机变量用作变量的转矩公式，相位变化量计算单元计算第一运行点上的转矩值，并根据转矩值与指令值之间的差来计算转矩补偿量。

10.根据权利要求2或6的控制系统，其中，根据转矩公式，相位变化量计算单元计算第一运行点上的转矩值，并根据转矩值与指令值之间的差来计算转矩补偿量。

11.根据权利要求1的控制系统，其中，根据通过将转矩公式关于电压相位进行微分获得的微分公式，线性近似单元计算第一倾斜度，其中，所述转矩公式将与AC电动机的运行状态和电压相位相关联的至少一个电动机变量用作变量。

12.根据权利要求2或6的控制系统，其中，根据通过将转矩公式关于电压相位进行微分获得的微分公式，线性近似单元计算第一倾斜度。

13.根据权利要求1或6的控制系统，其中，方波电压控制器还包含：

反馈控制单元，其通过关于与指令值的转矩偏差的反馈来控制方波电压的电压相位；以及

计算单元，根据由反馈控制单元设置的电压相位和由相位变化量计算单元计算的变化量的和，所述计算单元设置电压相位的指令值。

14.根据权利要求1或6的控制系统，其中，AC电动机被安装在电动车辆上，并产生用于驱动电动车辆的车辆驱动力。

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