CN103259488B - 电机控制方法、控制系统及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种电机控制方法、控制系统及控制装置。该电机控制方法包括以下步骤：接收从直流电源传输给逆变器的输入功率；根据指令转矩与所述输入功率通过极值寻优法寻找指令电流；将所述指令电流调制成控制所述逆变器的门信号；通过所述逆变器根据所述门信号将所述直流电源的直流电转换为交流电；及将所述交流电提供给电机。本发明的电机控制方法、控制系统及控制装置通过极值寻优法对电机进行实时的效率优化。

Description

电机控制方法、控制系统及控制装置

技术领域

本发明有关一种电机控制方法、控制系统及控制装置，尤其涉及一种控制交流电机的电机控制方法、控制系统及控制装置。

背景技术

交流电机，例如永磁同步电机，广泛地应用于电动汽车和混合电动汽车。电动汽车和混合电动汽车由车载电源，例如电池，驱动。在此应用领域中，一个关键的性能指标是在电源的一次充电的情况下电动汽车能够行驶的最大距离。为了使得行使距离尽可能远，提高传动的效率极其重要。传统的一种效率优化方法是基于电机损耗模型。损耗最小，从而效率最高。然而，电机损耗模型的模型参数随着环境温度、负载等的变化而变化，因此损耗模型对于参数较敏感且很难检测和校准。

因此，有必要提供一种电机控制方法、控制系统及控制装置来解决上面提及的技术问题。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种电机控制方法。该电机控制方法包括以下步骤：接收从直流电源传输给逆变器的输入功率；根据指令转矩与所述输入功率通过极值寻优法寻找指令电流；将所述指令电流调制成控制所述逆变器的门信号；通过所述逆变器根据所述门信号将所述直流电源的直流电转换为交流电；及将所述交流电提供给电机。

本发明的另一个方面在于提供一种控制系统。该控制系统包括：指令优化器，用以接收来自直流电源的输入功率并且根据指令转矩和所述输入功率通过极值寻优法寻找指令电流；及调制模块，与所述指令优化器连接，用以将所述指令电流调制为门信号。

本发明的再一个方面在于提供一种控制装置。该控制装置包括：直流电源，用以提供直流电；逆变器，与所述直流电源连接，用以将所述直流电转换为交流电；及控制系统，与所述直流电源和所述逆变器连接，所述控制系统用来接收从所述直流电源传输给所述逆变器的输入功率，根据指令转矩与所述输入功率通过极值寻优法寻找指令电流，及将所述指令电流调制成控制所述逆变器的门信号。

本发明的电机控制方法、控制系统及控制装置通过极值寻优法对电机进行实时的效率优化。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为本发明电机装置的一实施例的原理框图；

图2所示为用于图1所示的电机装置的指令优化器的一实施例的模块图；

图3所示为用于图2所示的指令优化器的极值寻优控制器的模块图；

图4所示为用于图1所示的电机装置的指令优化器的另一实施例的模块图。

具体实施方式

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“前部”“后部”“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

图1图示了一较佳实施例的电机装置100的原理框图。请参考图1，电机装置100包括电机1和控制电机1的控制装置。控制装置包括用以提供直流电的直流电源2、与直流电源2和电机1连接的逆变器3及与直流电源2、逆变器3和电机1连接的控制系统4。

控制系统4包括指令优化器42和与指令优化器42连接的调制模块43。在图示的实施例中，控制系统4进一步包括与指令优化器42和直流电源2连接的功率监控器41及与指令优化器42连接的初始矢量控制器44。功率监控器41用以监控从直流电源2传输给逆变器3的输入功率P_in并且将输入功率P_in输入指令优化器42。直流电源2的直流电压M_DC输入功率监控器41，从直流电源2传输给逆变器3的直流电流I_DC被传感器5探测并输入功率监控器41。功率监控器41根据直流电压M_DC和直流电流I_DC计算输入功率P_in且输出输入功率P_in。

继续参考图1，指令转矩T^*输入初始矢量控制器44。初始矢量控制器44用以根据指令转矩T^*获得初始指令电流。初始矢量控制器44输出初始指令电流的d轴初始指令电流I_d0 ^*和q轴初始指令电流I_q0 ^*，d轴初始指令电流I_d0 ^*和q轴初始指令电流I_q0 ^*输入指令优化器42。在一些实施例中，初始矢量控制器44是最大转矩电流比(MaximumTorquePerAmpere，MTPA)控制器。

指令优化器42用以接收输入功率P_in并且根据指令转矩T^*和输入功率P_in通过极值寻优法寻找指令电流。指令优化器42输出指令电流的d轴指令电流I_d和q轴指令电流I_q，d轴指令电流I_d和q轴指令电流I_q输入调制模块43中。调制模块43用以将指令电流调制为控制逆变器3的门信号。逆变器3用以根据门信号将直流电源2的直流电转换为交流电。交流电提供给电机1来驱动电机1运转。

调制模块43包括与指令优化器42连接的电流控制器431、与电流控制器431和逆变器432连接的脉冲宽度调制(Pulse-WidthModulation，PWM)发生器432及与电流控制器431和电机1连接的三项变两相变换模块433。三项变两相变换模块433根据电机1的转子位置信号θ将从逆变器3传输给电机1的三项交流电I_a、I_b、I_c转换为d、q轴的两项交流电I_d ^S、I_q ^S。两项交流电I_d ^S、I_q ^S输入电流控制器431。电流控制器431根据两项交流电I_d ^S、I_q ^S将d轴指令电流I_d和q轴指令电流I_q转换为电压V_u、V_v、V_w。电压V_u、V_v、V_w输入脉冲宽度调制发生器432且脉冲宽度调制发生器432将电压V_u、V_v、V_w转换为门信号。

图2图示了指令优化器42的一种实施例。请参考图2，指令优化器42包括极值寻优控制器421和与极值寻优控制器421连接的计算模块422。输入功率P_in输入极值寻优控制器421。极值寻优控制器421用以根据输入功率P_in通过极值寻优法寻找指令电流的d轴指令电流I_d和q轴指令电流I_q的其中之一。计算模块422用以根据指令转矩T^*和寻找到的d轴指令电流I_d和q轴指令电流I_q的其中之一计算d轴指令电流I_d和q轴指令电流I_q的其中另一个。

在图2所示的实施例中，极值寻优控制器421寻找并输出d轴指令电流I_d。d轴指令电流I_d和指令转矩T^*输入计算模块422中，计算模块422通过下面的公式(1)来计算q轴指令电流I_q：

$T=\frac{3}{2}p[{\mathrm{\ψ}}_f{I}_q+(L_d-L_q)I_d{I}_q]---\left(1\right)$

其中p是电机1的极数，ψ_f是电机1的磁链，L_d和L_q分别是电机1的d轴电感和q轴电感。在一些实施例中，极值寻优控制器421寻找q轴指令电流I_q且计算模块422计算d轴指令电流I_d。

在图2所示的实施例中，指令优化器42进一步包括快速寻优模块423和判定模块424。快速寻优模块423用以使指令电流等于初始指令电流，即d轴指令电流I_d等于d轴初始指令电流I_d0 ^*且q轴指令电流I_q等于q轴初始指令电流I_q0 ^*。判定模块424分别与快速寻优模块423和极值寻优控制器421连接，用以根据指令转矩T^*的转矩变化值和电机速度ω_m的速度变化值在快速寻优模块423和极值寻优控制器421之间进行选择。

判定模块424确定时间周期、转矩最大变化值及速度最大变化值，可以根据实际应用确定。判定模块424进一步比较指令转矩T^*在时间周期内的转矩变化值与转矩最大变化值且比较电机速度ω_m在时间周期内的速度变化值与速度最大变化值。如果转矩变化值大于转矩最大变化值或者速度变化值大于速度最大变化值，表明指令转矩T^*或电机速度ω_m变化快，因此是不稳定状态。在不稳定状态时，快速寻优模块423运作，此时指令电流等于初始指令电流。极值寻优控制器421和计算模块422的运行速度比快速寻优模块423的运行速度慢，因此极值寻优控制器421和计算模块422在稳定状态时运行。如果转矩变化值小于转矩最大变化值且速度变化值小于速度最大变化值，表明指令转矩T^*和电机速度ω_m均变化缓慢，因此是稳定状态，极值寻优法被使用。如此保证电机1在稳定和不稳定状态时都可以正常运转。

极值寻优法是一种基于斜率的优化算法，控制变量迭代变化以致目标函数最小化。参考图3，极值寻优控制器421用于寻找d轴指令电流I_d的一个最优值以致输入功率P_in最小。极值寻优控制器421输出d轴指令电流I_d的最优值给一个设备10，该设备10包括直流电源2、逆变器3和电机1，以致设备10输出输入功率P_in的最小值。输入功率P_in的最小值输入极值寻优控制器421以寻找d轴指令电流I_d的下一个最优值。直流电源2的功率效率为电机1的输出功率与来自直流电源2的输入功率P_in的比值，输出功率为电机1的电机转矩与电机速度ω_m的乘积。当输出功率不变时，输入功率P_in最小则直流电源2的功率效率最大。另外，电机1和逆变器2的总的功率损耗为输入功率P_in与输出功率的差值，因此电机1和逆变器2的功率损耗都可以被最小化。

图3图示了图2所示的极值寻优控制器421的一实施例。假设输入功率P_in可表示为下面的表达式(2)

$P_{\mathrm{in}}={P_{\mathrm{in}}}^{*}+\frac{{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}{(I_d-{I_d}^{*})}^2---\left(2\right)$

其中，d轴指令电流I_d为控制变量；P_in”＝d²P_in/dI_d ²，是I_d＝I_d ^*时的值；I_d ^*是d轴指令电流I_d的一个最优值，其使得目标函数P_in为最小值P_in ^*。上面的表达式(2)是目标函数P_in的二阶泰勒表达式，该表达式是控制变量I_d接近最优值I_d ^*时目标函数P_in的近似表达。误差信号为其中是d轴指令电流I_d的估计信号，且其中a和ω是参数，可根据实际应用的需要设置，t是时间变量。输入功率P_in进一步表达为表达式(3)：

$P_{\mathrm{in}}={P_{\mathrm{in}}}^{*}+\frac{{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}\·{({\tilde{I}}_d-a\sin \left(\text{\ωt}\right))}^2---\left(3\right)$

输入功率P_in再进一步表达为表达式(4)：

$P_{\mathrm{in}}={P_{\mathrm{in}}}^{*}+\frac{a^2{P_{\mathrm{in}}}^{*}}{4}+\frac{{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}{{\tilde{I}}_d}^2-{{\mathrm{aP}}_{\mathrm{in}}}^{\″}{\tilde{I}}_d\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)-\frac{a^2{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{4}\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)---\left(4\right)$

参考图3，极值寻优控制器421包括高通滤波器4211、解调器4212、滤波积分器4213和调制器4214。输入功率P_in输入高通滤波器4211，高通滤波器4211用以对输入功率P_in进行滤波以滤除输入功率P_in的直流分量P_in ^*+a²P_in”/4并产生滤波信号。然后滤波信号通过解调器4212被sin(ωt)解调，产生解调信号ξ，解调信号ξ的表达式为下面的表达式(5)：

$\mathrm{\ξ}=\frac{{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}{{\tilde{I}}_d}^2\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)-{{\mathrm{aP}}_{\mathrm{in}}}^{\″}{\tilde{I}}_d\mathrm{si}{n}^2\left(\mathrm{\ωt}\right)-\frac{a^2{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{4}\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(5\right)$

表达式(5)进一步表示为下面的表达式(6)：

$\mathrm{\ξ}=-\frac{{{\mathrm{aP}}_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}{\tilde{I}}_d+\frac{{{\mathrm{aP}}_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)+\frac{a^2{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{8}(\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)-\sin \left(3\mathrm{\ωt}\right))+\frac{{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}{{\tilde{I}}_d}^2\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(6\right)$

滤波积分器4213用以滤波并积分解调信号ξ产生积分信号。本实施例中的滤波积分器4213为低通滤波器。积分信号是d轴指令电流I_d的估计信号估计信号表达为下面的表达式(7)：

${\hat{I}}_d=-\frac{k}{s}[-\frac{{{\mathrm{aP}}_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}{\tilde{I}}_d+\frac{{{\mathrm{aP}}_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)+\frac{a^2{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{8}(\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)-\sin \left(3\mathrm{\ωt}\right))+\frac{{P_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}{{\tilde{I}}_d}^2\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)]---\left(7\right)$

$\≈-\frac{k}{s}[-\frac{{{\mathrm{aP}}_{\mathrm{in}}}^{\″}}{2}{\tilde{I}}_d]$

其中k是参数，可根据实际应用的需要设置。接着，估计信号通过调制器4214被asin(ωt)调制以获得d轴指令电流I_d。

在图2和图3所示的实施例中，初始指令电流的d轴初始指令电流I_d0 ^*输入极值寻优控制器421作为极值寻优法的初始值。极值寻优法从d轴初始指令电流I_d0 ^*开始收敛，如此提高了极值寻优法的计算速度。在一些实施例中，通过极值寻优法寻找q轴指令电流I_q，此方法与d轴指令电流I_d的寻优方法类似，此时q轴初始指令电流I_q0 ^*作为极值寻优法的初始值。

图4图示了指令优化器42的另一实施例，其类似于图2所示的实施例。在图2所示的实施例中，极值寻优法是一维极值寻优算法。在图4所示的实施例中，极值寻优法是二维极值寻优算法，指令优化器42包括二维极值寻优控制器426。参考图4，输入功率P_in和指令转矩T^*输入二维极值寻优控制器426。二维极值寻优控制器426根据指令转矩T^*和输入功率P_in通过二维极值寻优算法同时寻找d轴指令电流I_d和q轴指令电流I_q。在图4所示的实施例中，d轴初始指令电流I_d0 ^*和q轴初始指令电流I_q0 ^*作为二维极值寻优算法的初始值。

极值寻优法是一种不基于模型的算法，因此不需要知道装置的特定的模型，可实时地优化功率效率。另外，极值寻优法基于斜率寻优原理，因此准确度较高且收敛速率较快。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (22)

1.一种电机控制方法，其特征在于：该电机控制方法包括以下步骤：

接收从直流电源传输给逆变器的输入功率；

根据指令转矩与所述输入功率通过极值寻优法寻找指令电流；

将所述指令电流调制成控制所述逆变器的门信号；

通过所述逆变器根据所述门信号将所述直流电源的直流电转换为交流电；及

将所述交流电提供给电机。

2.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于：所述寻找指令电流的步骤包括：

根据所述输入功率通过极值寻优法寻找所述指令电流的d轴指令电流和q轴指令电流的其中之一；及

根据所述指令转矩和寻找到的所述d轴指令电流和q轴指令电流的其中之一计算d轴指令电流和q轴指令电流的其中另一个。

3.如权利要求2所述的电机控制方法，其特征在于：所述电机控制方法进一步包括在寻找指令电流的步骤之前根据所述指令转矩获得初始指令电流。

4.如权利要求3所述的电机控制方法，其特征在于：所述寻找指令电流的步骤进一步包括：

确定时间周期、转矩最大变化值及速度最大变化值；及

比较所述指令转矩在所述时间周期内的转矩变化值与所述转矩最大变化值且比较电机速度在所述时间周期内的速度变化值与所述速度最大变化值；

如果所述转矩变化值大于所述转矩最大变化值或者所述速度变化值大于所述速度最大变化值，则所述指令电流等于所述初始指令电流。

5.如权利要求3所述的电机控制方法，其特征在于：所述极值寻优法包括：

对所述输入功率进行滤波以滤除所述输入功率的直流分量并产生滤波信号；

解调所述滤波信号产生解调信号；

滤波并积分所述解调信号产生积分信号；及

调制所述积分信号。

6.如权利要求5所述的电机控制方法，其特征在于：所述初始指令电流作为所述极值寻优法的初始值。

7.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于：所述极值寻优法包括二维极值寻优算法，寻找指令电流的步骤包括根据所述指令转矩和所述输入功率通过二维极值寻优算法同时寻找所述指令电流的d轴指令电流和q轴指令电流。

8.一种控制系统，其特征在于：该控制系统包括：

指令优化器，用以接收来自直流电源的输入功率并且根据指令转矩和所述输入功率通过极值寻优法寻找指令电流；及

调制模块，与所述指令优化器连接，用以将所述指令电流调制为门信号。

9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于：所述指令优化器包括：

极值寻优控制器，用以根据所述输入功率通过极值寻优法寻找所述指令电流的d轴指令电流和q轴指令电流的其中之一；及

计算模块，与所述极值寻优控制器连接，用以根据所述指令转矩和寻找到的所述d轴指令电流和q轴指令电流的其中之一计算d轴指令电流和q轴指令电流的其中另一个。

10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于：所述控制系统进一步包括与所述指令优化器连接的初始矢量控制器，用以根据所述指令转矩获得初始指令电流，所述初始指令电流输入所述指令优化器。

11.如权利要求10所述的控制系统，其特征在于：所述指令优化器进一步包括：

快速寻优模块，用以使所述指令电流等于所述初始指令电流；及

判定模块，分别与所述快速寻优模块和所述极值寻优控制器连接，用以根据所述指令转矩的转矩变化值和电机速度的速度变化值在所述快速寻优模块和所述极值寻优控制器之间进行选择。

12.如权利要求10所述的控制系统，其特征在于：所述极值寻优控制器包括：

高通滤波器，用以对所述输入功率进行滤波以滤除所述输入功率的直流分量并产生滤波信号；

解调器，用以解调所述滤波信号产生解调信号；

滤波积分器，用以滤波并积分所述解调信号产生积分信号；及

调制器，用以调制所述积分信号。

13.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于：所述初始指令电流输入所述极值寻优控制器作为所述极值寻优法的初始值。

14.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于：所述控制系统进一步包括与所述指令优化器连接的功率监控器，用以监控来自所述直流电源的所述输入功率并且将所述输入功率输入所述指令优化器。

15.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于：所述极值寻优法包括二维极值寻优算法，所述指令优化器包括二维极值寻优控制器，用以根据所述指令转矩和所述输入功率通过所述二维极值寻优算法同时寻找所述指令电流的d轴指令电流和q轴指令电流。

16.一种控制装置，其特征在于：所述控制装置包括：

直流电源，用以提供直流电；

逆变器，与所述直流电源连接，用以将所述直流电转换为交流电；及

控制系统，与所述直流电源和所述逆变器连接，所述控制系统用来接收从所述直流电源传输给所述逆变器的输入功率，根据指令转矩与所述输入功率通过极值寻优法寻找指令电流，及将所述指令电流调制成控制所述逆变器的门信号。

17.如权利要求16所述的控制装置，其特征在于：所述控制系统包括：

指令优化器，用以接收所述输入功率并且寻找所述指令电流；及

调制模块，与所述指令优化器连接，用以将所述指令电流调制为所述门信号。

18.如权利要求17所述的控制装置，其特征在于：所述指令优化器包括：

极值寻优控制器，用以根据所述输入功率通过极值寻优法寻找所述指令电流的d轴指令电流和q轴指令电流的其中之一；及

计算模块，与所述极值寻优控制器连接，用以根据所述指令转矩和寻找到的所述d轴指令电流和q轴指令电流的其中之一计算d轴指令电流和q轴指令电流的其中另一个。

19.如权利要求18所述的控制装置，其特征在于：所述控制系统进一步包括与所述指令优化器连接的初始矢量控制器，用以根据所述指令转矩获得初始指令电流，所述初始指令电流输入所述指令优化器。

20.如权利要求19所述的控制装置，其特征在于：所述指令优化器进一步包括：

快速寻优模块，用以使所述指令电流等于所述初始指令电流；及

判定模块，分别与所述快速寻优模块和所述极值寻优控制器连接，用以根据所述指令转矩的转矩变化值和电机速度的速度变化值在所述快速寻优模块和所述极值寻优控制器之间进行选择。

21.如权利要求17所述的控制装置，其特征在于：所述极值寻优法包括二维极值寻优算法，所述指令优化器包括二维极值寻优控制器，用以根据所述指令转矩和所述输入功率通过所述二维极值寻优算法同时寻找所述指令电流的d轴指令电流和q轴指令电流。

22.如权利要求17所述的控制装置，其特征在于：所述控制系统进一步包括与所述指令优化器连接的功率监控器，用以监控所述输入功率并且将所述输入功率输入所述指令优化器。