CN103404018A - 内嵌式永磁电机系统和用于控制内嵌式永磁电机的方法 - Google Patents

Abstract

示例实施例公开了一种内嵌式永磁(IPM)电机系统，包括IPM电机和控制器，所述IPM电机包括标称工作直流(dc)总线电压(310)，所述控制器(110)配置成检测IPM电机的工作直流总线电压(Vdc)并且基于标称工作直流总线电压(310)和检测到的工作直流总线电压(Vdc)控制IPM电机。

Description

内嵌式永磁电机系统和用于控制内嵌式永磁电机的方法

技术领域

示例实施例涉及诸如内嵌式永磁(IPM)电动机或电机的电子驱动装置系统和用于控制电子驱动装置的方法。

背景技术

IPM电动机控制具有范围从中速至高速的电压限制。特定直流电流(dc)总线电压电平决定用于一批转子速度的一连串最佳运行轨迹。IPM特性通常只在直流总线电压电平处实现。换言之，对于一批转子速度来说，只在标称直流总线电压电平处校准电动机运行点，这些电动机运行点从控制器查询表中生成直或正交(d-q)电流指令。

在其实IPM电机应用中，工作直流总线电压可以明显地波动，通过空转和制动模式循环，尤其是在电池应用时。波动的工作直流总线电压可以影响在低直流总线电压处的电流调节。

发明内容

示例实施例指向IPM电机系统以及控制IPM电机的方法。

发明人发现如果工作直流总线电压自电动机再生而提高从而使它高于标称直流总线电压，那么IPM电动机控制器应该利用被提高的直流总线电压，从而增加输出转矩、功率和/或改善效率。如果工作直流总线电压低于标称直流总线电压，那么对应于工作直流总线电压的电动机运行点被调整以确保健壮的电流控制。

示例实施例利用直流总线电压以决定用于一批转子速度的一连串运行轨迹。换言之，示例实施例有效运行具有变化的直流总线电压的IPM电动机。在一些示例实施例中，IPM电动机运行同时仅使用标称电压特性数据。

一个示例实施例公开了一种IPM电机系统，包括IPM电机和控制器，所述IPM电机包括标称工作直流(dc)总线电压，所述控制器被配置成检测IPM电机的工作直流总线电压并且基于标称工作直流总线电压和检测到的工作直流总线电压控制IPM电机。

至少另一个示例实施例公开了一种控制IPM电机的方法。该方法包括确定IPM电机的工作直流总线电压和IPM电机的标称直流总线电压，随后基于IPM电机的工作直流总线电压和IPM电机的标称直流总线电压确定驱动指令，以及，输出所确定的驱动指令至IPM电机。

至少另一个示例实施例公开了一种IPM电机系统，包括IPM电机和控制器，所述控制器被配置成检测IPM电机的工作直流总线电压和转轴运行速度，确定检测到的工作直流总线电压与检测到的转轴运行速度之间的比率，以及基于所确定的比率控制IPM电机。

附图说明

结合附图，通过以下详细的描述可以更加清楚地理解示例实施例。图1-5B表示这里所描述的不受限制的示例实施例。

图1是一种用于控制电动机的系统的示例实施例的方框图；

图2是一种与图1一致的电子数据处理系统的方框图；

图3显示图1中所示的计算模块的一种示例实施例；

图4显示图1中所示的电流生成管理器的一种示例实施例；以及

图5A-5B显示根据一种示例实施例的一种控制IPM电机的方法。

具体实施方式

现在将结合图示出一些示例实施例的附图更加全面地描述各种示例实施例。

相应地，虽然示例实施例能够有各种修改和替换形式，但是其实施例在图中以示例的方式示出并且将在这里详细描述。然而，应当理解，没有想要将示例实施例限制在所公开的具体形式，而是相反地，示例实施例将覆盖落入权利要求的范围内的所有修改例、等同例和替换例。在对于图的描述中，相同的数字表示相同的元件。

应当理解，虽然此处术语第一、第二等可以用以描述各种元件，但是这些元件应该不受这些术语的限制。这些术语仅用以将一个元件与另外一个区分开。例如，在不偏离示例实施例的范围的情况下，第一元件可以被叫做第二元件，并且，类似地，第二元件可以被叫做第一元件。正如此处所采用的，术语“和/或”包括所列举的相关数据中的一个或多个的任意和全部组合。

应当理解，当一个元件被称为“连接”或“联接”至另一个元件时，它可以是直接连接或者联接至另一个元件或者可以出现中间元件。相反地，当一个元件被称为“直接连接”或“直接联接”至另一个元件时，没有中间元件。用来描述元件之间的关系的其它的词应当用相同的方式进行解释(例如，“之间”与“直接之间”，“邻近”与“直接邻近”等)。

这里使用的术语仅是用于描述特定实施例，而非旨在限制示例性实施例。如本文所用，单数形式“a”，“an”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。要进一步理解的是，术语“comprises”，“comprising”，“includes”和/或“including”，在本文中使用时，说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。

还应当注意到，在一些替换实施方案中，所指出的功能/动作可能会与图中指出的顺序不同。例如，连续示出的两个数字，实际上被同时执行，或者有时可以以相反的顺序执行，这取决于涉及的功能/动作。

除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与示例实施例所属领域的普通技术人员所通常理解相同的含义。要进一步理解，术语，例如在常用字典中定义的那些，应解释为具有与在相关领域的上下文中含义相一致的含义，并且因此，将不被解释为理想化的或过于正式的意义，除非明确如此界定外。

示例实施例和相应的具体描述的一些部分以对计算机存储器内的数据位的操作的软件、或者算法和符号表示的方式出现。这些描述和表示是本领域技术人员将他们的工作内容有效传达给其他本领域技术人员的那些。算法。作为这里所使用的术语并且通常是这么使用的，被认为是得出一个结果的前后一致的一系列步骤。这些步骤是需要物理量的物理操作的那些。通常地，但是不是必然地，这些量采用能够被存储、传输、组合、比较、以及其它操作的光、电或者磁信号。已经不时地方便证明，原则上由于共同使用的原因，是指诸如位、值、元件、符号、字符、术语、数量等的这些信号。

在下面的描述中，将参照可以作为程序模块或功能性过程被实现的操作的动作和符号表示(例如，在流程图的形式)描述示例性实施例，包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，当被执行地执行特定任务或实现特定抽象数据类型时，并且可以使用在现有网络元件处的现有硬件实现。这种现有的硬件可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、应用程序特定集成的电路、现场可编程门阵列(FPGA)、电脑等。

然而，应当牢记的，所有这些和类似的术语是与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便的标记。除非另有特别声明，或从讨论中显而易见的，诸如“处理”或“运算”或“计算”或“确定”或“显示”或类似术语是指计算机系统或类似的电子计算装置的动作和过程，其操作和转换在计算机系统的寄存器和存储器中表示的数据为物理的、电子的数量到类似地表示为在计算机系统存储器或寄存器或其他这样的信息存储、传输或显示设备内的物理量的其他数据。

还要注意，示例实施例的软件实现方面通常是被编码在一些形式的有形(或者记录)存储介质上。有形存储介质可以是磁性的(例如，软盘或者硬盘驱动器)或者光学的(例如压缩光盘只读存储器，或者″CD ROM″)，并且可以是只读的或者是随机存取的。类似地，传输介质可以是双扭线对、同轴电缆、光学纤维、或者业界公知的一些其它合适的传输介质。示例实施例不限于这些方面的任何既定的实现方案。

根据一个示例实施例，图1公开了一种用于控制诸如电动机117(例如，内嵌式永磁(IPM)电动机)或者另一交流电机的IPM电机的系统。电动机117具有标称直流总线电压(例如320伏)。标称电压是指定电压。例如，电动机117的标称电压可以是320伏，但是电动机可以在320伏以上和以下的电压处运行。在一个示例实施例中，系统，除了电动机117，还可以被称作逆变器或者电动机控制器。用于控制电动机117的系统还可以被称作IPM电机系统。

系统包括电子模块、软件模块、或者以上两者。在一个示例实施例中，电动机控制器包括电子数据处理系统120以支持一个或多个软件模块的软件指示的存储、处理或执行。电子数据处理系统120在图1中用虚线表示并且在图2中更加具体地示出。电子数据处理系统120还被称为用于电动机117的控制器。

数据处理系统120被联接到逆变器电路188。逆变器电路188包括半导体驱动电路，该半导体驱动电路驱动或控制切换半导体(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他功率晶体管)以输出用于电动机117的控制信号。依次地，逆变器电路188被联接到电动机117。电动机117与传感器115(例如，位置传感器、分解器或编码器位置传感器)关联，传感器115与电动机轴126或转子相关联。例如，传感器115和电动机117被联接到数据处理系统120，以提供反馈数据(例如，诸如相位电流值i_a，i_b，i_c的电流反馈数据)、原位置信号、以及其他可能的反馈数据或信号。其他可能的反馈数据包括但不限于：绕组温度读数、逆变器电路188的半导体温度读数、三相电压数据、或电动机117的其他热学信息或性能信息。

在一个示例实施例中，转矩指令生成模块105被联接到d-q轴电流生成管理器109(例如，d-q轴电流生成查询表)。d-q轴电流指的是可应用于矢量控制式交流电动机(例如电动机117)中的直轴电流和正交轴电流。d-q轴电流生成管理器109(例如，d-q轴电流指令iq__cmd和id__cmd)的输出和电流调整模块107(例如，d-q轴电流调整模块107)的输出被馈送给求和器119。依次地，求和器119的一个或多个输出(例如，直轴电流数据(i_d ^*)和正交轴电流数据(i_q ^*))被提供或联接至电流调节控制器111。虽然采用了术语电流指令，但是应该理解，电流指令指的是目标电流值。

电流调节控制器111能够与脉宽调制(PWM)生成模块112(例如，空间矢量PWM生成模块)通信。电流调节控制器111接收各自的调整的d-q轴电流指令(例如i_d ^*和i_q ^*)和实际d-q轴电流(例如i_d和i^q)以及与d-q轴电压指令(例如v_d ^*和v_q ^*指令)相对应的输出，用于输入至PWM生成模块112。

在一个示例实施例中，PWM生成模块112例如将直轴电压和正交轴电压数据从两相数据表示转化为三相数据表示(例如，三相电压表示，诸如v_a ^*，v_b ^*和v_c ^*)以用于电动机117的控制。PWM生成模块112的输出被联接到逆变器188。

逆变器电路188包括功率电子元件，如用于生成、修改和控制施加到电动机117的脉宽调制信号或其他交流信号(例如，脉冲、方波、正弦波、或其他波形)的切换半导体。PWM生成模块112向逆变器电路188内的驱动器级(driver stage)提供输入。逆变器电路188的输出级提供脉宽调制电压波形或其他电压信号，用于电动机117的控制。在一个示例实施例中，逆变器188由直流(DC)电压总线供电。

电动机117与估算电动机轴126的角位置、电动机轴126的速度或转速以及电动机轴126的旋转方向中的至少一个的传感器115(例如，分解器、编码器、速度传感器、或其他位置传感器或速度传感器)关联。传感器115可以被安装到电动机轴126上或与之成一体。传感器115的输出能够与主处理模块114(例如，位置和速度处理模块)通信。在一个实施例中，传感器115被连接到模数转换器(未示出)，所述模数转换器将模拟位置数据或速度数据分别转换为数字位置或速度数据。在其他实施例中，传感器115(例如，数字位置编码器)可提供电动机轴126或转子的位置数据或速度数据的数字数据输出。

主处理模块114的第一输出(例如，电动机117的位置数据θ)被通信至相位变换器113(例如，三相变两相电流帕克变换(Park transformation)模块)，其中相位变换器113将测得的电流的各个三相数字表示转换为测得的电流的相应的两相数字表示。主处理模块114的第二输出(例如，电动机117的速度数据SD)被通信至计算模块110(例如，调整的电压/速度比率模块)。

感测电路124的输入被联接到电动机117的终端，以至少检测被测量的三相电流和直流电流(DC)总线(例如，可以向逆变器电路188提供DC功率的高压直流总线)的电压电平。感测电路124的输出被联接到模数转换器122，以将感测电路124的输出数字化。依次地，模数转换器122的数字输出被联接到辅助处理模块116(例如，直流总线电压和三相电流处理模块)。例如，感测电路124与电动机117相关联以用于测量三相电流(例如，施加到电动机117的绕组的电流，感应到绕组中的反电动势(EMF)，或以上二者)。

主处理模块114和辅助处理模块116的一些输出被馈送给相位变换器113。例如，相位变换器113可应用帕克变换或其他转换方程(例如，对于本领域普通技术人员而言已知的适当的特定的转换方程)以基于来自辅助处理模块116的数字三相电流数据i_a，i_b和i_c和来自传感器115的位置数据θ将测得的三相电流表示转换为二相电流表示。相位变换器113(i_d，i_q)的输出被联接到电流调节控制器111。

主处理模块114和辅助处理模块116的其他输出可以被联接到计算模块110(例如，调整的电压-速度比率计算模块)的输入。例如，主处理模块114可提供速度数据SD(例如，电动机轴126的每分钟转数)，而辅助处理模块116可提供(例如，在车辆的直流(DC)总线上的)电动机117的测得的(检测到的)工作直流总线电压电平V_dc。向逆变器电路188供电的直流总线上的直流电压电平可因各种因素(包括但不限于：环境温度、电池状况、电池充电状态、电池电阻或电抗、燃料电池状态(如果可使用的话)、电动机负载状况、各自的电动机转矩和相应的运行速度、以及车辆电负载(例如，电驱动的空调压缩机))而波动或变化。计算模块110作为媒介被连接在辅助处理模块116和d-q轴电流发生管理器109之间。计算模块110的输出可调整或影响由d-q电流生成管理器109生成的电流指令iq_cmd和id_cmd，以补偿直流总线电压中的波动或变化及其他情况。

转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106、和端子电压反馈模块108被联接到d-q轴电流调整模块107或能够与d-q轴电流调整模块107通信。依次地，d-q轴电流调整模块107可与d-q轴电流生成管理器或求和器119通信。

转子磁体温度模块104估算或确定一个或多个转子永磁体的温度。在一个实施例中，转子磁体温度估算模块104可通过位于定子上或者与定子热连通或者固定到电动机117的外壳上的一个或多个传感器估算转子磁体的温度。

在另一替换实施例中，转子磁体温度估算模块104可被安装在转子或磁体上的温度检测器(例如，热敏电阻或像红外线感热器的无线变送器)替代，其中，所述检测器提供指示一个或多个磁体的温度的信号(例如，无线信号)。

在一个示例实施例中，所述方法或系统可以下述方式进行操作。转矩指令生成模块105通过车辆数据总线118接收输入控制数据信息，例如速度控制数据信息、电压控制数据信息、或转矩控制数据信息。转矩指令生成模块105将接收到的输入控制信息转化为转矩控制指令数据T_cmd。

d-q轴电流生成管理器109选择或确定与各个转矩控制指令数据和各个检测到的电动机轴126速度数据SD有关的直轴电流指令数据和正交轴电流指令数据。例如，d-q轴电流生成管理器109通过访问下述一个或多个项来选择或确定直轴电流指令、正交轴电流指令：(1)将各个转矩指令与相应的直轴或正交流电流关联起来的查询表、数据库或其他数据结构，(2)将各个转矩指令与相应的直轴或正交流电流关联起来的二次方程组或线性方程组，或(3)将各个转矩指令与相应的直轴或正交流轴电流关联起来的一组规则(例如“如果-则”(if-then)规则)。电动机117上的传感器115有利于为电动机轴126提供检测到的速度数据SD，其中，主处理模块114可将由传感器115提供的原位置数据转化为速度数据SD。

电流调整模块107(例如，d-q轴电流调整模块)提供电流调整数据以基于来自转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106、和端子电压反馈模块108的输入数据调整直轴电流指令id_cmd和正交轴电流指令iq_cmd。

电流成形模块106可基于以下一个或多个因素确定正交轴(q轴)电流指令和直轴(d轴)电流指令的校正或初步调整：例如，电动机117上的转矩载荷和电动机117的速度。转子磁体温度估算模块104可基于例如转子温度的估算变化生成对于q轴电流指令和d轴电流指令的二次调整值。端子电压反馈模块108可基于控制器电压指令与电压极限的关系提供对于d轴和q轴电流的第三次调整。电流调整模块107可提供考虑了一个或多个下述调整的合并的电流调整：初步调整、二次调整和第三次调整。

在一个示例实施例中，电动机117可以包括内嵌式永磁(IPM)电机或者同步IPM电机(IPMSM)。

传感器115(例如，轴或转子速度检测器)可包括下述一项或多项：直流电动机、光学编码器、磁场传感器(例如，霍尔效应传感器)、磁阻传感器、和分解器(例如，无刷分解器)。在一种构造中，传感器115包括位置传感器，其中，初始位置数据和相关的时间数据被处理，以确定电动机轴126的速度或转速。在另一种构造中，传感器115包括速度传感器，或速度传感器与积分器的组合，以确定电动机轴的位置。

在又一种构造中，传感器115包括辅助的、紧凑的直流发电机，该直流发电机被机械地连接到电动机117的电动机轴126，以确定电动机轴126的速度，其中，该直流发电机产生与电动机轴126的转速成比例的输出电压。在再一种构造中，传感器115包括带有光源的光学编码器，其中，所述光学编码器向被联接到电动机轴126的旋转物体发送信号并在光学检测器处接收反射的或衍射的信号，其中被接收到的信号脉冲(例如，方波)的频率可与电动机轴126的速度成比例。在额外的构造中，传感器115包括带有第一绕组和第二绕组的分解器，其中，第一绕组接入交流电，在第二绕组中感生的电压随着转子的旋转频率而变化。

在图2中，电子数据处理系统120包括电子数据处理器264、数据总线262、数据存储装置260、和一个或多个数据端口(268，270，272，274和276)。数据处理器264、数据存储装置260、和所述一个或多个数据端口被联接到数据总线262，以支持数据处理器264、数据存储装置260、和所述一个或多个数据端口之间的数据通信。

在一个实施例中，数据处理器264可包括电子数据处理器、微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列、逻辑电路、运算逻辑单元、专用集成电路、数字信号处理器、比例积分微分(PID)控制器、或其他数据处理装置。

数据存储装置260可包括任何用于存储数据的磁的、电子的或光学的装置。例如，数据存储装置260可包括电子数据存储装置、电子存储器、非易失性电子随机存取存储器、一个或多个电子数据寄存器、数据锁存器、磁盘驱动器、硬盘驱动器、光学磁盘驱动器等。

如图2所示，数据端口包括第一数据端口268、第二数据端口270、第三数据端口272、第四数据端口274和第五数据端口276，当然，也可采用其他任意适当数目的数据端口。每个数据端口可包括例如收发器或缓冲存储器。在一个示例实施例中，每个数据端口可包括任意串行或并并输入/输出端口。

在如图2描绘的一个示例实施例中，第一数据端口268被联接到车辆数据总线118。依次地，车辆数据总线118被联接到控制器266。在一种构造中，第二数据端口270可以被联接到逆变器电路188；第三数据端口272可以被联接到传感器115；第四数据端口274可以被联接到模数转换器122；以及第五数据端口276可以被联接到端子电压反馈模块108。模数转换器122被联接到感测电路124。

在数据处理系统120的一个实施例中，转矩命令生成模块105与电子数据处理系统120的第一数据端口268关联或由该第一数据端口268支持。第一数据端口268可以被联接到车辆数据总线118，例如控制器区域网络(CAN)数据总线。车辆数据总线118可经由第一数据端口268向转矩命令生成模块105提供数据总线信息连同转矩指令。车辆的操作者可通过用户接口(例如油门、踏板、控制器266或其他控制装置)生成转矩指令。

在一些示例实施例中，传感器115和主处理模块114可与数据处理系统120的第三数据端口272关联或由第三数据端口272支持。

IPM电机控制

根据示例实施例的用于IPM电动机的稳态电压方程式可以是；

v_d＝r_si_d-ω_eL_qi_q   (1)

v_q＝r_si_q+ω_eL_di_d+ω_eλ_f   (2)

其中v_d是d轴电压，v_q是q轴电压，r_s是定子电阻，i_d是d轴电流，i_q是q轴电流，L_d是d轴电感，L_q是q轴电感，ω_e是IPM的电频率，以及λ_f是IPM的转子上的永磁强度。

定子电阻r_s可以忽略，因为穿过电阻项的电压降很大程度上小于穿过电感项和反电动势项(例如，λ_f)。如果忽略定子电阻r_s，那么方程式(1)和(2)可以改写为：

$\frac{v_d}{{\mathrm{\ω}}_e}=-L_q{i}_q---\left(3\right)$

$\frac{V_q}{{\mathrm{\ω}}_e}=L_d{i}_d+{\mathrm{\λ}}_f---\left(4\right)$

因此，方程式(3)和(4)表示可获得的终端电压与电动机电频率的比率，以确定用于电流指令iq_cmd和id_cmd的运行点，假设永磁强度λ_f和电感L_d和L_q都是常数。电频率可以由转子轴的速度(转数/分，rpm)转换得到。终端电压可以是指被施加至诸如电动机117的电机的终端处的交流(ac)电压。例如，直流总线电压可以通过逆变器切换电路188转化为终端电压。

特别地，电压与速度之比可以通过将工作直流总线电压除以转轴运行速度(rpm)计算而来。

例如，在325伏5000rpm处校正的运行轨迹可以直接施加至300伏4615.4rpm或350伏5384.6rpm。注意，计算的比值越小，所施加的终端电压极值越严格。终端电压极值是在高速重载荷条件下由用于电机终端的直流总线电压生成的最大可获得输出交流电压。对于大型电动机运行，控制器可能需要额外的电压裕量。例如，电压裕量是基于由于环境温度变化导致的永磁体强度变化、转矩指令的快速动力学和直流总线电压。因此，电压裕量可以根据这些因素进行设定。

作为一个示例，实际电压极限可以是终端电压极限的90-95%(例如，92%)。

然而，永磁强度λ_f是转子速度基于变化的电机铁损和转子磁热效应的函数。变化的永磁体强度λ_f还会造成d-q轴电感L_d和L_q的变化。因此，虽然工作直流总线电压和转轴运行速度的结合产生相同的比值，考虑到诸如反电动势强度和d-q轴电感的变化的电机参数，最佳运行点仍是不同的。

为了补偿示例实施例中变化的磁强度效应，电压补偿系数调整计算后的电压/速度比值。在标称直流总线水平处，电压补偿系数可以被调整以反应电压裕量，取决于应用的动态响应规格。

当工作直流总线电压高于标称直流总线电压时，考虑到对于较高的转子速度会有较弱的磁强度，电压补偿系数被设得稍高。另一方面，当工作直流总线电压低于标称直流总线电压时，考虑到对于较低运行中的转子速度会有较强的磁强度，电压补偿系数被设得稍低。

为了说明的目的，有两组工作直流总线电压和转轴运行速度：V₁和rpm₁，V₂和rpm₂，V₃和rpm₃，其中V₁＜V₂＜V₃且rpm₁＜rpm₂＜rpm₃，这样，工作直流总线电压与转轴运行速度的比率如下：

$\frac{V_1}{{\mathrm{rpm}}_1}=\frac{V_2}{{\mathrm{rpm}}_2}=\frac{V_3}{{\mathrm{rpm}}_3}---\left(5\right)$

虽然为了说明的目的，仅采用了三组工作直流总线电压和转轴运行速度，应该理解的是，可以采用任何数量组工作直流总线电压和转轴运行速度。

总之，由于铁损和磁热的增加，速度上升时，磁强度λ_f越小。因此，

λ_f(rpm₁)＞λ_f(rpm₂)＞λ_f(rpm₃)   (6)

换言之，当工作直流总线电压为V₁而转轴运行速度为rpm₁时，终端电压极值最严格，而当工作直流总线电压为V₃而转轴运行速度为rpm₃时，终端电压极值最宽松。为了补偿变化的磁强度λ_f效应，电压补偿系数η_m被包括以调整计算后的工作直流总线电压与转轴运行速度的比值，使得

$\frac{V_1}{{\mathrm{rpm}}_1}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_1<\frac{V_2}{{\mathrm{rpm}}_2}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_2<\frac{V_3}{{\mathrm{rpm}}_3}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_3---\left(7\right)$

假设V₂是在电动机特性化过程中采用的标称直流总线电压，那么电压补偿系数η₂变化以根据应用的动态响应规格调整电压。电压补偿系数η₁的值设为小于电压补偿系数η₂以反应在较低速度下增加的磁强度λ_f效应。类似地，电压补偿系数η₃的值设为稍大于电压补偿系数η₂以用于在较高速度下减少的磁强度λ_f效应。用于电压补偿系数η₁、η₂、η₃的这些选定的值是以电机设计为基础并且通过下述的调试过程实现。

电动机特性化过程是用来确定用于特定速度和转矩指令的d轴和q轴指令的过程。此过程以多个转矩指令和多个速度重复。电动机特性化过程在申请案的发明人于2011年2月28日提交的名称为“用于使内嵌式永磁特性化的方法和设备”的第XX/XXX，XXX号申请案中有所描述，通过参考的方式将其内容合并于此。

例如，电动机特性化可以仅在标称直流总线电压水平(诸如320V)以及一组转轴速度下实现。对于诸如5000rpm的具体速度，电压和速度的组合给出了320/5000的工作直流总线电压与转轴运行速度的比值。

对于相同比值，当工作直流总线电压不是在标称直流总线电压时，存在不同的电压和速度的组合，如280/4375，390/6094等。如果不考虑诸如磁强度和d-q轴电感的电机参数变化，那么产生相同的比率的所有工作直流总线电压与转轴运行速度的组合在电压裕量方面具有精确的相同运行条件。

在示例实施例中，电压裕量是标称直流总线电压的百分比，诸如5%或6%。例如，来自直流总线的最大可获得交流电压为线性调制范围中的工作直流总线电压除以

。那么电压裕量可以在标称直流总线电压的5%或6%除以

之内。

不巧地是，电机参数，尤其是永磁强度λ_f，随着转轴速度变化。例如，对于相同的转矩或电流指令，由于在4375rpm时具有更强的磁强度λ_f，所以280V和4375rpm会具有比320V和5000rpm更为严格的电压裕量。类似地，对于精确的转矩或电流指令，由于6094rpm时具有更弱的磁强度λ_f，所以390V和6094rpm会具有比320V和5000rpm更为宽松的电压裕量。换言之，当永磁强度增加时，反电动势电压分量增加。因此，终端交流电压更高并且使得电压裕量越小。

二维电压补偿系数查询表是基于对工作直流总线电压和转轴运行速度对的调整来构建的，该调整产生实现相同电压裕量的相同比率。对于相同的转矩指令，临界电压裕量由标称直流总线电压和相关联的转输运行速度确定。

例如，工作直流总线电压可以被调整至280V而轴速度可以被调整至4375rpm。对于用于工作直流总线电压和转轴运行速度对的转矩指令，电压补偿系数可以被调整至例如0.97，直至实现电压裕量。换言之，电压补偿系数被确定使得与转矩指令相关联的280V和4375rpm运行条件下的调整的比率生成一组d-q轴电流指令，该组d-q轴电流指令具有与相同转矩指令相关联的320V和5000rpm运行条件一样的相同电压裕量。这组电压裕量可以是320V除以

而后乘以5%。

类似地，工作直流总线电压可以被调整至390V而轴速度可以被调整至6094rpm。对于相同的转矩指令，电压补偿可以被调整至例如1.03，直至同样实现该组电压裕量。

调整过程在诸如280，290，320，...，380，390V的不同的工作直流总线电压水平处重复，以确定相应的电压补偿系数并且将它们放入二维电压补偿系数查询表中。

因此，电压补偿系数变成范围从最小工作直流总线电压至最大工作直流总线电压的二维查询表。二维电压补偿系数查询表在图3中显示为310。

图3显示图1中所示的计算模块的示例实施例。如图所示，计算模块110配置成接收检测到的工作直流总线电压值Vdc和速度(rpm)数据SD。计算模块110包括电压补偿系数查询表(LUT)310、速度数据处理器320、调整的比率计算器330以及基本转矩LUT340。

电压补偿系数LUT310接收检测到的工作直流总线电压值Vdc并且基于检测到的工作直流总线电压值Vdc输出电压补偿系数Vcoeff。更具体地，电压补偿系数LUT310包括工作直流总线电压列表，每个列表与电压补偿系数相关。采用上述调试过程确定电压补偿系数。当电压补偿系数LUT310接收到检测到的工作直流总线电压值Vdc时，电压补偿系数LUT310输出与所接收到的检测到的工作直流总线电压值Vdc相关联的电压补偿系数作为电压补偿系数Vcoeff。

电压补偿系数Vcoeff从电压补偿系数LUT310输出至调整的比率(调整的检测到的工作直流总线电压与检测到的转轴运行速度之比)计算器330。

SD处理器320配置成接收速度数据SD，确定速度数据SD的绝对值并且输出速度数据的绝对值Abs_SD至调整的比率计算器330。SD处理器320可以包括SD限制器，该SD限制器配置成确定速度数据SD是否超出或者低于临界值，并且因而不会被考虑。

除了接收电压补偿系数Vcoeff和速度数据的绝对值Abs_SD之外，调整的比率计算器330配置成接收检测到的工作直流总线电压值Vdc。调整的比率计算器330调整检测到的工作直流总线电压与检测到的转轴运行速度之比如下：

Adj_ratio＝(Vdc*Vcoeff)/Abs_SD   (8)

其中，Adj_ratio是调整的检测到的工作直流总线电压与检测到的转轴运行速度之比。调整的比率Adj_ratio通过比率计算器330输出至d-q轴电流生成管理器109和基本转矩LUT340。

基本转矩LUT340基于调整的比率Adj_ratio以及与调整的比值相关的特性化基本转矩数据来确定基本转矩值Base_Torq。

从电机特性化数据中，基本转矩值分别与具有标称直流总线电压水平的离散速度点相关联。换言之，二维基本转矩LUT340由电机特性化方法而构建。在IPM电机特性化过程期间，每个转轴速度具有最大输出转矩，该最大输出转矩被限定为此速度下的基本转矩。因此，基本转矩也可以被称为峰值转矩。

基本转矩LUT340输出作为基本转矩值Base_Torq的关联基本转矩值至d-q轴电流生成管理器109。

图4显示图1中所示的电流生成管理器的示例实施离。如图所示，d-q轴电流生成管理器109包括转矩处理器410、符号确定单元420、q轴电流(iq)指令LUT430、d轴电流(id)指令LUT440、以及倍增器450。

符号确定单元420确定转矩指令数据T_cmd的正号或负号并且输出符号值T_cmd_sign至倍增器450。

转矩处理器410接收基本转矩值Base_Torq和转矩指令数据T_cmd。转矩指令数据T_cmd可以从调节直流总线电压(或速度)的电压(或速度)控制比例积分器(PI)生成，或者从转矩控制模式中的直接转矩指令生成。转矩指令数据T_cmd可以是Nm。

转矩处理器410配置成确定转矩指令数据T_cmd的绝对值。转矩处理器410配置成将转矩指令数据T_cmd的绝对值转换成基本转矩值Base_Torq的百分比Torq_Perc。转矩处理器410输出百分比Torq_Perc至q轴电流(iq)指令LUT430和d轴电流(id)指令LUT440。

q轴电流(iq)指令LUT430和d轴电流(id)指令LUT440还配置成接收调整的比率Adj_ratio。q轴电流(iq)指令LUT430和d轴电流(id)指令LUT440分别存储q轴和d轴电流指令，每个都与一对调整比率值和转矩百分比值相关。对q轴电流(iq)指令LUT430和d轴电流(id)指令LUT440的研究在申请案的发明人于2011年2月28日提交的名称为“用于使内嵌式永磁特性化的方法和设备”的第13/036,286号申请案中有所描述，接下来两段通过参考的方式将其内容合并于此。

IPM电机的转矩控制通常包括基于所请求的转矩生成用于控制IPM电机的交流电(AC or ac)控制信号。典型地，AC控制信号由具有峰值电流值Is和电流角G的电流矢量表示。电流矢量通过由电流矢量的直轴电流id或Id分量和正交轴电流iq或Iq分量表示，其中：

Id＝-Is cos G，并且

Iq＝Is sin G

Id分量在IPM电机中是负的，同时Iq分量的符号取决于理想转矩的符号。

Ac控制信号的生成受到与IPM电机有关的操作限制的制约。例如，为IPM电机中的定子绕组供电的ac控制信号具有防止诸如过热等对IPM电机的破坏的电流极限。电流极限通常通过IPM电机的设计和/或相应控制器中的功率切换热定额预定，并且任何特性化过程对本领域是公知的。

d轴电流(id)指令LUT440配置成输出d轴电流指令id_cmd，d轴电流指令id_cmd与所接收到的转矩百分比Torq_Perc和调整的比率Adj_ratio相关。如图1中所示的，d轴电流指令id_cmd被输出至求和器119。

q轴电流(iq)指令LUT430配置成输出原始q轴电流指令，原始q轴电流指令与所接收到的转矩百分比Torq_Perc和调整的比率Adj_ratio相关。原始q轴电流指令被输出至倍增器450，其中原始q轴电流指令乘以转矩指令数据T_cmd的符号以生成q轴电流指令iq_cmd。如图1中所示的，q轴电流指令iq_cmd被输出至求和器119。

图5A-5B显示根据一种示例实施例的一种控制IPM电机的方法。数据处理系统120配置成实现图5A-5B中所示的方法。

在S530处，数据处理系统检测到IPM电机(例如电动机117)的工作直流总线电压。基于所述直流总线电压，数据处理系统配置成确定电子装置的工作直流总线电压和标称直流总线电压之间的差。

在S560处，数据处理系统随后基于经确定的IPM电机的直流总线电压和IPM电机的标称直流总线电压之间的差确定电流指令(驱动指令)。例如，如上所述，计算模块110和d-q轴电流生成管理器109配置成确定d轴和q轴电流指令id_cmd和iq_cmd。

在S590处，电流指令被输出至电子装置。例如，基于d轴和q轴电流指令id_cmd和iq_cmd，电动机117由数据处理系统120驱动。

图5B显示在S560处确定电流指令的一种示例实施例。在S562处，数据处理系统基于检测到的工作直流总线电压确定电压补偿系数。在5564处，数据处理系统通过将电压补偿系数乘以该比率而调整检测到的工作直流总线电压与检测到的转轴运行速度的比率。例如，如结合图3所述的，调整的比率计算器330计算调整的比率adj_ratio。

在S566处，数据处理系统基于调整的检测到的工作直流总线电压与检测到的转轴运行速度的比率确定基本转矩。在S568处，数据处理系统确定转矩指令为基本转矩的百分比。基于所述百分比和所调整的比率，数据处理系统在S570处确定电流指令。

如上所述，发明人发现如果直流总线电压自电动机再生而提高从而使它高于标称总线电压，那么IPM电动机控制应该利用被提高的直流总线电压，从而增加输出转矩、功率和/或改善效率。如果工作直流总线电压低于标称直流总线电压，那么对应于工作直流总线电压的电动机运行点被调整以确保健壮的电流控制。

示例实施例利用直流总线电压以决定用于一批转子速度的一连串运行轨迹。换言之，示例实施例有效运行具有变化的直流总线电压的IPM电动机。在一些示例实施例中，IPM电动机运行同时仅使用标称电压特性数据。

因此描述了示例实施例，明显的是相同之处可以以多种方式变化。这种变化例不会被认为偏离示例实施例的精神和范围，并且对于本领域技术人员来说是明显的所有这种修改例理应被包括在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种内嵌式永磁(IPM)电机系统，包括：

IPM电机，所述IPM电机包括标称工作直流(dc)总线电压，和

控制器，所述控制器被配置成检测IPM电机的工作直流总线电压并且基于标称工作直流总线电压和检测到的工作直流总线电压控制IPM电机。

2.如权利要求1所述的IPM电机系统，其中所述控制器被配置成检测IPM电机的转轴运行速度，确定检测到的工作直流总线电压与检测到的转轴运行速度之间的比率，以及基于所确定的比率控制IPM电机。

3.如权利要求2所述的IPM电机系统，其中所述控制器被配置成基于与所确定的比率相关联的补偿系数控制IPM电机。

4.如权利要求3所述的IPM电机系统，其中所述控制器被配置成通过将补偿系数乘以所确定的比率来调整所确定的比率，调整后的比率表示IPM电机的在不同转轴速度下的参数的变化。

5.如权利要求2所述的IPM电机系统，其中所述控制器被配置成基于所确定的比率生成一组直轴和正交轴电流指令以控制IPM电机的输出转矩。

6.如权利要求5所述的IPM电机系统，其中所述控制器包括：

第一处理单元，配置成检测IPM电机的工作直流总线电压和三相电流；

第二处理单元，配置成检测IPM电机的转轴角位置和IPM电机的转轴运行速度；和

计算单元，配置成确定检测到的工作直流总线电压与检测到的转轴运行速度之间的比率，该组直轴和正交轴电流指令是基于所确定的比率的。

7.如权利要求6所述的IPM电机系统，其中所述控制器包括：

两个三维查询表，配置成基于所确定的比率确定该组直轴和正交轴电流指令。

8.如权利要求6所述的IPM电机系统，其中所述控制器包括：

查询表，配置成存储多个补偿系数，每个补偿系数分别与工作直流总线电压相关联，该组直轴和正交轴电流指令是基于与所确定的比率相关联的补偿系数的。

9.如权利要求8所述的IPM电机系统，其中所述查询表是二维查询表。

10.如权利要求5所述的IPM电机系统，其中所述控制器包括：

第一三维查询表，配置成基于转矩指令和用相关联的补偿系数调整的确定的比率确定d轴电流指令；和

第二三维查询表，配置成基于转矩指令和用相关联的补偿系数调整的确定的比率确定q轴电流指令。

11.如权利要求10所述的IPM电机系统，其中所述转矩指令是基本转矩的百分比。

12.如权利要求11所述的IPM电机系统，其中所述基本转矩是基于用相关联的补偿系数调整的确定的比率的。

13.如权利要求12所述的IPM电机系统，其中所述控制器包括：

二维查询表，配置成存储多个基本转矩，每个基本转矩分别与工作直流总线电压与转轴运行速度的比率相关联。

14.一种控制内嵌式永磁(IPM)电机的方法，包括以下步骤：

确定IPM电机的工作直流总线电压和IPM电机的标称直流总线电压；

随后基于IPM电机的工作直流总线电压和IPM电机的标称直流总线电压确定驱动指令；以及

输出所确定的驱动指令至IPM电机。

15.如权利要求14所述的方法，其中，

随后基于IPM电机的工作直流总线电压和IPM电机的标称直流总线电压确定驱动指令的步骤包括：

基于所确定的差值确定一组直轴和正交轴电流指令；并且

其中，所述输出的步骤包括：输出该组直轴和正交轴电流指令至IPM电机。

16.如权利要求14所述的方法，其中，

确定IPM电机的工作直流总线电压和IPM电机的标称直流总线电压的步骤包括：

确定所述IPM电机的转轴运行速度；并且

随后基于IPM电机的工作直流总线电压和IPM电机的标称直流总线电压确定驱动指令的步骤包括：

确定工作直流总线电压与转轴运行速度之间的比率；

通过将相关联的补偿系数乘以确定的比率来调整确定的比率；和

基于调整后的比率确定驱动指令。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述相关联的补偿系数是基于工作直流总线电压的。

18.如权利要求16所述的方法，其中，随后基于IPM电机的工作直流总线电压和IPM电机的标称直流总线电压确定驱动指令的步骤包括：

基于调整后的比率确定基本转矩；

接收真实转矩指令值；

确定真实转矩指令值与所述基本转矩相比的百分比；和

基于所确定的转矩指令百分比和调整后的比率确定驱动电流指令。

19.一种内嵌式永磁(IPM)电机系统，包括：

IPM电机；和

控制器，所述控制器被配置成检测IPM电机的工作直流总线电压和转轴运行速度，确定检测到的工作直流总线电压与检测到的转轴运行速度之间的比率，以及基于所确定的比率控制IPM电机。

20.如权利要求19所述的IPM电机系统，其中，所述控制器被配置成：

基于所确定的比率确定基本转矩；

接收真实转矩指令值；

确定真实转矩指令值与所述基本转矩相比的百分比；和

基于所确定的转矩指令百分比和所确定的比率控制IPM电机。

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