CN103891129A

CN103891129A - 用于生成用于ipm机的初始控制器查找表的装置及方法

Info

Publication number: CN103891129A
Application number: CN201280010781.1A
Authority: CN
Inventors: 吴隆; 苏简·库桑巴; 吴子敏; 付天均; 罗伯特·肖
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: CN103891129B; WO2012118590A2; EP2686949B1; EP2686949A2; BR112013022024A2; US20120217916A1; WO2012118590A3; US8410737B2; JP2014515245A; BR112013022024B1; EP2686949A4; AU2012223687A1

Abstract

本发明公开一种用于生成用于控制内部永磁体(IPM)机的初始操作点的装置和方法。该方法包括加载电感查找表(S110)，基于IPM机的机器参数第一计算用于第一阈值速度的每安培最大转矩(MTPA)轨迹(S120)，如果第一速度高于第一阈值速度，基于机器参数，第二计算具有用于第一速度的单调增加转矩的截断的电压限制椭圆(S130)；基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆中的至少一个确定在第一速度处的操作轨迹(S140)，基于确定的操作轨迹，生成映射I_d值和I_q值到用于第一速度的多个转矩指令的每个转矩指令的I_d，I_q映射(S150)。

Description

用于生成用于IPM机的初始控制器查找表的装置及方法

技术领域

示例性实施例涉及用于生成用于控制内部永磁(IPM)机的初始控制器查找表的装置和方法。

背景技术

因为AC机比DC机提供较高效率，AC机广泛使用在装载机或其他重型设备机械中。AC机的IPM机具有高的传动效率和宽的操作速度范围用于恒功率区域。IPM机控制器也称为逆变器，控制IPM机的操作。控制器生成被施加到IPM机的终端的控制信号。通常情况下，控制器基于特征化IPM机的信息或部分信息控制IPM机。特征化的至少部分是指允许输入请求转换成所需的操作输出的IPM机的操作模式。例如，所需的输出转矩可被请求，并且基于特征化的部分，控制器控制IPM机，以提供所需的转矩。为了提供所需的输出转矩，IPM控制器响应于期望的转矩来输出操作点到IPM机。

一种传统的方法采用理论方程以找到IPM机操作点，这可能是不准确的。另一种传统的方法是利用有限元分析，以找到正确的操作点，这是非常耗时的。此外，这些传统的方法可能在速度和转矩水平方面不覆盖整个操作范围内。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于生成用于控制内部永磁体(IPM)机的初始操作点的方法。

该方法包括：加载电感查找表，其中电感查找表包括多组直轴电感(L_d)值和正交轴电感(L_q)值，每组对应于电流峰值幅度和电流控制角。电流控制角可以表示显示为直轴电流(I_d)和正交轴电流(I_q)的电流峰值幅度的值。

该方法还包括：基于IPM机的机器参数来第一计算用于第一阈值速度的每安培最大转矩(MTPA)轨迹，机器参数包括电感查找表；如果第一速度高于第一阈值速度，基于机器参数，第二计算具有用于第一速度的单调增加转矩的截断电压(truncated voltage)限制椭圆；基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆中的至少一个确定在第一速度处的操作轨迹；和基于确定的操作轨迹生成I_d，I_q映射，所述I_d，I_q映射将I_d值和I_q值映射到用于第一速度的多个转矩指令的每个转矩指令。

在一些实施例中，第一阈值速度是基本速度，基本速度是实现IPM机的最大恒定输出转矩处的最大轴速度。

所述确定步骤可以进一步包括以下操作：如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，所述确定步骤基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的比较来确定操作轨迹；如果第一速度是第二阈值速度或高于第二阈值速度，确定步骤基于仅具有单调增加的转矩的计算的截断电压限制椭圆来确定操作轨迹；和／或如果第一速度是第一阈值速度或低于所述第一阈值速度，确定步骤基于计算的MTPA轨迹来确定操作轨迹。

在一些实施例中，第二阈值速度是临界速度，所述临界速度是来自IPM机的反电动势(backemf)的不受控制地生成(UCG)电压等于直接电流(DC)总线电压处的速度。

如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，所述确定步骤包括：为每一个I_d值选择计算的MTPA轨迹的I_q值和计算的截断电压限制椭圆的I_q值中的较小者，其中操作轨迹包括所选择的I_q值。

第一计算步骤可以进一步包括：确定初始表，所述初始表包括具有涵盖用于预设电流限制的所有可能值的值的I_d，I_q组合；计算电流峰值幅度、电流控制角和用于初始表的每个I_d，I_q组合的L_d和L_q值；基于机器参数，计算用于初始表的每个I_d，I_q组合的转矩；设置用于多个转矩指令的每一个的转矩范围；基于计算的转矩和设定的转矩范围来确定用于每个转矩指令的I_d，I_q组合的子集；从每个子集选择具有小于子集的其他I_d，I_q组合的计算的电流峰值幅度的I_d，Iq组合；和基于选择的I_d，I_q组合的组计算MTPA轨迹。

在一些实施例中，用于在确定的子集中的每个I_d，I_q组合的计算的转矩落入包括相应转矩指令的设定的转矩范围内。

第二计算步骤还可以包括：基于机器参数确定在设定的轴转速处的用于电压限制椭圆右顶点的I_d顶点值；计算对应于I_d值的范围的最大允许I_q值，I_d值的范围从所确定的I_d顶点值到预先设定的最低I_d限制；和／或基于计算的最大允许I_q值计算用于第一速度的电压限制椭圆。

另外，如果确定的I_d顶点值大于零，I_d顶点值被强制为0。

第二计算步骤还可以包括：计算在第一速度处的沿着计算的电压限制椭圆的点的转矩；通过忽略单调递减转矩截断计算的电压限制椭圆。

在一些实施例中，该方法可以进一步包括：利用基于有限元分析的模拟获得Ld值和Lq值；和基于获得的电感参数生成电感查找表。

在一些实施例中，该方法可以进一步包括通过为每一个速度重复第二计算步骤、确定在第一速度处的操作轨迹步骤和生成I_d，I_q映射步骤，为多个速度生成的不同的I_d，I_q映射；和基于多个I_d，I_q映射，构建集成的I_d，I_q映射。

在一些实施例中中，IPM机包括如上面所讨论的I_d，I_q映射的机器控制器。

在另一个实施例中，该方法包括，基于IPM机的机器参数第一计算用于第一阈值速度的每安培最大转矩(MTPA)轨迹；如果第一速度高于第一阈值速度，基于机器参数第二计算具有用于第一速度的单调增加转矩的截断的电压限制椭圆；基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的至少一个，确定在第一速度处的操作轨迹，所述确定步骤包括，如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的比较，确定的操作轨迹；和基于确定的操作轨迹生成I_d，I_q映射，所述I_d，I_q映射将直轴电流(I_d)值和正交轴电流(I_q)值映射到用于第一速度的多个转矩指令中的每一个转矩指令。

所述确定步骤包括：如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的比较来确定操作轨迹。在一些实施例中，第一阈值速度是基本速度，所述基本速度是达到IPM机的最大恒定的输出转矩的最大轴速度，第二阈值速度是临界速度，临界速度是来自IPM机的反电动势(反电动势)的不受控制地生成(UCG)电压等于直流(DC)总线电压处的速度。

在一些实施例中，机器参数包括电感查找表。电感查找表包括直轴电感(Ld)值和正交轴电感(Lq)值的组，每组对应于电流峰值幅度和电流控制角，电流控制角表示显示为I_d和I_q的电流峰值幅度的值。

所述确定步骤可以进一步包括执行以下操作：如果第一速度是第二阈值速度或高于所述第二阈值速度，所述确定步骤基于仅具有单调增加转矩的计算的截断电压限制椭圆来确定操作轨迹；和如果第一速度是第一阈值速度或低于第一阈值速度，所述确定步骤基于计算的MTPA轨迹来确定操作轨迹。所述确定步骤可以进一步包括：为每一个I_d值选择计算的MTPA轨迹的I_q值和计算的截断电压限制椭圆的I_q值中的较小者，其中所述操作轨迹包括所选择的I_q值。

第一计算步骤可以包括确定初始表，所述初始表包括具有涵盖用于预设的电流限制的所有可能的值的值的I_d，I_q组合；计算电流峰值幅度、电流控制角和用于初始表的每个I_d，I_qI_q组合的L_d和Lq值；基于机器参数计算用于初始表的每一个I_d，I_q组合的转矩；设定用于多个转矩指令的每一个的转矩范围；基于计算的转矩和设定的转矩范围，为每个转矩指令确定I_d，I_qI_q组合的子集；从每个子集选择具有小于子集的其他的I_d，I_q组合的计算的电流的峰值幅度的Td，I_q组合；和基于I_d，I_q组合的选择的组来计算MTPA轨迹。

在一些实施例中，在确定的子集中的用于每个I_d，I_q组合的计算的转矩落入包括相应的转矩指令的设定的转矩范围内。第二计算步骤可以包括基于机器参数确定在设定的轴转速处的在电压限制椭圆右顶点处的I_d顶点值；计算对应于I_d值的范围的最大允许I_q值，I_d值的范围来自确定的I_d顶点值到预设的最低I_d限制；和／或基于计算的最大允许I_q值计算用于第一速度的电压限制椭圆。如果确定的I_d顶点值大于零，I_d顶点值被强制为0。

第二计算步骤还可以包括：计算在第一速度处沿着计算的电压限制椭圆的转矩；和通过忽略单调递减转矩，截断计算的电压限制椭圆。

该方法可以进一步包括通过对于每个速度重复第二计算步骤、确定步骤和生成步骤，生成用于多个速度的不同的I_d，I_q映射；和基于多个I_d，I_q映射，构建集成的I_d，I_q映射。在一些实施例中中，IPM机包括具有如上所述的I_d，I_q的映射的机器控制器。

本发明的实施例提供一种计算机处理单元，用于生成用于控制内部永磁体(IPM)机器的初始操作点。计算机处理单元包括：存储器，配置成存储机器参数，所述机器参数包括电感查找表，所述电感查找表包括直轴电感(Ld)值和正交轴电感(Lq)值的组，每组对应于电流峰值幅度和电流控制角，电流控制角表示显示为直轴电流(I_d)和正交轴电流(I_q)的电流峰值幅度的值；和处理器，够造成用于基于机器参数第一计算用于第一阈值速度的每安培最大转矩(MTPA)轨迹，处理器被配置成，如果第一速度高于第一阈值速度，基于机器参数，第二计算具有用于第一速度的单调增加转矩的被截断的电压限制椭圆，处理器被配置成，基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆中的至少一个，确定在第一速度处的操作轨迹，所述处理器被配置成基于确定的操作轨迹生成I_d，I_q映射，所述I_d，I_q映射将I_d值和I_q值映射到用于第一速度的多个转矩指令的每个转矩指令。

在一些实施例中，第一阈值速度是基本速度，所述基本速度是实现IPM机的最大恒定输出转矩处的最大轴速度。

在一些实施例中，如果第一速度低于第二阈值的速度且高于第一阈值速度，处理器被配置为基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的比较来确定操作轨迹；如果第一速度是第二阈值速度或高于第二阈值速度，处理器被配置为基于仅具有单调增加转矩的计算的截断电压限制椭圆来确定操作轨迹；和／或如果第一速度是第一阈值速度或低于第一阈值速度，处理器被配置为基于计算的MTPA轨迹确定操作轨迹。

如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，所述处理器被配置成为每一个I_d值选择计算的MTPA轨迹的I_q值和计算的截断电压限制椭圆的I_q值中的较小者，其中操作轨迹包括所选择的I_q值。

此外，处理器被配置为确定初始表，所述初始表包括具有涵盖用于预设电流限制的所有可能值的值的I_d，I_q组合；处理器被配置为计算电流峰值幅度、电流控制角和用于初始表的每个I_d，I_q组合的L_d和L_q值；处理器被配置为基于机器参数，计算用于初始表的每个I_d，I_q组合的转矩；所述处理器被配置为为多个转矩指令的每一个设置转矩范围；所述处理器被配置为基于计算的转矩和设定的转矩范围来确定用于每个转矩指令的I_d，I_q组合的子集；所述处理器被配置从每个子集选择具有小于子集的其他I_d，I_q组合的计算的电流峰值幅度的I_d，I_q组合；和所述处理器被配置为基于选择的I_d，I_q组合的组计算MTPA轨迹。用于在确定的子集中的每个I_d，I_q组合的计算的转矩落入包括各自转矩指令的设定的转矩范围。

此外，处理器可以被配置为为基于机器参数确定在设定的轴转速处的用于电压限制椭圆右顶点的I_d顶点值；所述处理器被配置为计算对应于I_d值的范围的最大允许I_q值，I_d值的范围从所确定的I_d顶点值到预先设定的最小I_d限制；和所述处理器被配置为基于计算的最大允许I_q值计算用于第一速度的电压限制椭圆。另外，如果确定的I_d顶点值大于零，I_d顶点值被强制为0。

此外，所述处理器被配置为计算在第一速度处的沿着计算的电压限制椭圆的点的转矩，并且通过忽略单调递减转矩截断计算的电压限制椭圆。所述处理器被配置为通过对于每个速度重复第二计算步骤、确定步骤和生成步骤来生成用于多个速度的不同的I_d，I_q映射；和所述处理器被配置为基于多个I_d，I_q映射，构建集成的I_d，I_q映射。

附图说明

从下面给出的详细描述和附图中，示例性实施例将被更加充分地理解，其中相同元件用相同的附图标记表示，其仅作为说明的方式给出，并且因此不是限制性的，并且其中：

图1图示用于构建用于根据本发明的实施例的多个速度的I_d、I_q映射的方法；

图2示出用于构建用于根据本发明的实施例的多个速度的I_d，I_q的映射的装置200；

图3A包括在根据本发明的实施例的d-q平面中的多个曲线和多个电压限制椭圆；

图3B示出在根据本发明的实施例的d-q平面中的多个电压限制椭圆和多个曲线；

图4示出用于计算MTPA轨迹的方法，用于根据本发明的一个实施例的第一阈值速度或小于第一阈值速度的速度；

图5示出一种用于根据本发明的一个实施例生成I_d，I_q映射的方法，使用电压限制椭圆或MTPA轨迹的组合和用于超过第一阈值速度的操作速度的电压限制椭圆；

图6示出一种用于基于根据本发明的实施例的操作轨迹计算用于多个速度的操作轨迹并且生成多个集成I_d、I_q映射的方法；

图7是用于控制电IPM机的系统的一个实施例的方框图；和

图8是与图7一致的电子数据处理系统的方框图。

具体实施例

现在参照其中显示一些示例性实施例的附图更全面地描述各种示例性实施例。相同的标号在整个说明书中表示相同元件。

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。

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，没有明确为单数的表述，例如“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“包括”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。

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，程序模块或功能性过程包括程序、对象、组件、数据结构等，其执行特定任务或实现特定抽象数据类型，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)电脑或者一旦编程成为特定机器的类似机器。

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“获取”、“确定”、“计算”、“选择”、“设置”、“截断”、“生成”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，计算机系统或类似的电子计算装置将在计算机系统的寄存器和存储器中表示为物理量、电子量的数据操作和转换为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。

本发明的实施例提供用于生成用于内部永磁体(IPM)机的初始操作点的装置和方法。IPM机可以是本技术领域的普通技术人员众所周知的任何类型IPM机。例如，IPM机可以包括具有槽的定子和具有永久磁体磁极的转子，以及被配置为控制IPM机的控制器。初始操作点可以被存储在用来操作IPM机的至少一个查找表中。

每个操作点包括直轴电流(I_d)值和q轴电流(I_q)值，其也可以被分别地称为作为通量电流指令和转矩电流指令。电流指令I_d和I_q是电流的峰值幅度(Is)和电流控制角(γ)的组成部分。电流控制角(γ)表示在d-q平面中显示为I_d和I_q的I_s的量。在一个实施例中，电流控制角(γ)是电流峰值幅度(I_s)的与d-q平面的正q轴相关的角度。电流峰值幅度I_s与电流控制角(γ)和I_d和I_q之间的关系如下：

方程式(1)

Is = \sqrt{I_{d}^{2} + I_{q}^{2}}

方程式(2)

I_{d} = - I_{s} \sin γ

和

I_{q} = I_{s} \cos γ

电流指令I_q可以根据转矩指令符号而具有正的或负的符号(+／-)。电流指令表示响应于转矩指令(例如，50纳米)和操作速度而被应用到IPM机的电流的相应的量。根据一个实施例，操作点被映射到包括IPM机的所有范围的多个速度的每个转矩指令。转矩指令可以以全范围(例如，0％，5％，10％，15％)转矩百分比来表示。操作点和相应的转矩指令被存储在具有I_d，I_q的映射的至少一个查找表中。因此，响应于特定的转矩指令和操作速度，IPM机基于在至少一个查找表中的适当的I_d，Ip映射选择相应的操作点(例如，I_d值，I_q值)。

初始操作点可以用于测试IPM机的性能。例如，根据初始操作点，用户例如可以(a)对IPM机测试基本转矩控制、速度控制和电压控制，(b)调节机器电流回路、速度回路、电压回路比例积分(PI)增益，(c)测试机器热性能和局限性，(d)估算功率电子元件损失，并且选择优化脉冲宽度调制(PWM)开关频率，和(e)建立用于例如位置校准和电动机特征化的基础。

根据一些实施例，生成的初始操作点可以提供用于的IPM机的全部操作范围的操作点(例如，全部转矩和全部速度范围)，同时满足规定的电流和电压限制。此外，初始操作点的生成使用IPM机的给定机器参数，诸如不假定为常数并且在d-q轴之间大量耦合的实际电感值。结果，生成的初始操作点对于了解如何设计IPM机用于特定的应用目的可能是有益的，诸如(a)是否IPM机过大或缺少转矩产生能力，(b)是否低速满转矩操作所需电流过大，(c)是否存在足够的电压用于高速操作和相应的角度是否过大，以及例如(d)转矩与位置的敏感性是否过大。

图1示出用于构建用于根据本发明的实施例的多个速度的I_d，I_q映射的方法。该方法可以通过具有存储器和处理器的任何类型的计算机处理单元执行，参照图2解释如下。

图2示出装置200，用于构建用于根据本发明的实施例的多个速度的I_d，I_q映射。装置200包括处理器205和至少一个存储器210。装置200可以包括本技术领域的普通技术人员公知的其它部件。处理器205可以是配置为执行存储在所述至少一个存储器210中的程序代码的任何类型的处理器。例如，存储器210可以是任何类型的存储器，如随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。设备200可以执行在本申请的图1和图4-6中的任何操作，如在下文中进一步阐述。

返回参考图1，在步骤S110中，处理器205从至少一个存储器210加载IPM机的机器参数。机器参数例如可以包括反电动势(backemf)常数(λ_f)、电流限制、IPM机的极对数、直流(DC)总线电压电平、电感查找表、定子电阻和／或相对于温度的永久磁体的强度系数。另外，机器参数可以包括在本技术领域的普通技术人员是众所周知的任何其他类型的参数。

电感查找表可以包括直轴电感(L_d)值和正交轴电感(L_q)值的组。每组对应于的电流的峰值幅度(Is)和电流控制角(γ)。表1和表2，如下所示，示出电感查找表的实施例。

表一

0°

5°

10°

15°

20°

25°

30°

...

90°

0A

L_d

25A

L_d

50A

L_d

75A

L_d

100A

L_d

125A

L_d

To

L_d

400A

L_d

表二

0°

5°

10°

15°

20°

25°

30°

...

90°

0A

L_q

25A

L_q

50A

L_q

75A

L_q

100A

L_q

125A

L_q

To

L_q

400A

L_q

表1提供用于Ld的电感值，而表2提供用于L_q的电感值。然而，本发明的实施例包括映射峰值电流幅度和电流控制角到电感值L_d和L_q的任何类型的布置。例如，在另一个实施例中，表1和表2可以被体现为一个表。

每一行对应于指定的峰值电流的幅度(I_s)(例如OA，25A，50A等)。在表1和表2中的最高的峰值电流幅度电平应该超过用于IPM机的最大电流限制，其由机器绕组热限制或硬件开关元件电流限制确定。虽然表1和表2中示出400A作为最高峰值电流的幅度，本发明的实施例可以包括任何值。

每一列对应指定电流控制角(γ)(例如，0度，5度，10度...，85度，90度)。由于IPM机操作被假定为在d-q平面的第二和第三象限中对称，提供用于从90至180的电流控制角的L_d和L_q值不是必需的。

例如，使用基于有限元分析(FEA)模拟工具，诸如SPEED、JMAG、Ansys或者Ansoft，每个L_d和L_q值对应特定峰值电流的幅度(Is)和电流控制的角度(γ)可能被获得。基于FEA模拟电磁地分析IPM机以生成用于查找电感表的L_d和L_q值。换句话说，通过执行用于IPM机的基于迭代FEA模拟，机器设计者可以填写电感查找表。

反电动势常数(λ_f)可以被定义如下：

方程式(3)

V_{line_line_rms} = \frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}} \cdot ω_{elec} \cdot λ_{f}

参数λ_f是反电动势常数，并且具有每电弧度／秒伏的单位，参数ω_elec是电频率，和参数V_{line_line_rms}是计算机终端线到线电压的基本均方根(rms)。电脑终端的线到线电压是施加到IPM机的电压。

DC总线电压电平是可以用于特定应用。DC总线电压是从电源供应到IPM机的控制器的电压供应。例如，当IPM机在中至高转速区域中操作时，DC总线电压电平直接确定电压限制边界，其进一步限制在较高的转速处的输出转矩。

此外，根据机器尺寸和DC总线电压电平，定子电阻对于初始操作点可能会或可能不会是重要的。基本上，对于具有高的DC总线电压电平(例如用于重越野车的牵引机械)的高功率机器，在相电阻两端的电压降通常是可以忽略不计。然而，对于低功率低电压机器(例如，草坪护理机)，在相电阻两端的电压降可能会被考虑用于电压限制评价。

对于更先进／准确的IPM电动机控制评价，可能会要求关于温度的永磁强度系数，例如，每摄氏度-0.11％。永磁强度系数可能会有所助于正确地补偿由于磁体温度改变的输出转矩变化。

在步骤S120中，基于包括电感查找表的IPM机的机器参数，处理器205计算用于第一阈值速度的每安培最大转矩(MTPA)轨迹。第一阈值速度可能是基本速度，其是最大轴转速，在该速度处实现IPM机的恒定最大输出转矩。对于在基本速度或低于基本速度处的操作速度，操作点(I_d，I_q)仅基于MTPA轨迹确定。然而，在某些情况下，对于在基本速度以上的操作速度，用于基本速度的计算的MTPA用于确定用于当前速度的操作轨迹。参照本发明的图4进一步说明步骤S120的细节。

在步骤S130中，如果第一速度高于第一阈值速度，处理器205基于机器参数计算具有单调增加转矩的用于第一速度的截断电压限制椭圆(truncated voltage limit ellipse)。例如，对于高于第一阈值速度的操作速度，IPM机的操作可能受限于电压限制椭圆。第一速度可以是包括IPM机的整个操作范围内的多个速度中的任何速度。如果第一速度高于第一阈值速度，处理器205计算截断电压限制椭圆。参照本发明的图5进一步说明步骤S130的细节。

在步骤S140中，基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆中的至少一个，处理器205确定操作轨迹。例如，如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，步骤S140基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的比较确定操作轨迹。第二阈值速度可以是临界速度，其是来自IPM机的反电动势的不受控制的生成(UCG)电压等于DC总线电压的速度。如果第一速度是第二阈值速度或高于第二阈值的速度，步骤S140基于具有仅单调增加扭矩的计算的截断电压限制椭圆来确定操作轨迹。如果第一速度是第一阈值速度或低于第一阈值速度，步骤S140仅基于计算的MTPA轨迹来确定操作轨迹。参照本发明的图5进一步解释步骤S140的细节。

在S150中，处理器205基于所确定的操作轨迹，生成用于第一速度的I_d，I_q映射。I_d，I_q映射可以是查找表，查找表包括转矩指令(Tcmd)对直轴电流指令(I_d_cmd)，和转矩指令(Tcmd)对q轴电流指令(iq_cmd)。如上面所解释的，转矩指令可以表示为转矩百分比。例如，诸如50Nm的转矩值可以被转换成如5％的转矩百分比，并且转矩百分比可以与电流指令关联地存储。参照本发明的图5-6，进一步详细说明步骤S150。

重复步骤130，140和150，用于多个速度的每个速度。其结果是，处理器205生成用于多个速度的不同的I_d，I_q映射。在步骤S160中，处理器基于多个I_d，I_q的映射构建集成的I_d，I_q映射。例如，集成的I_d，I_q映射可以包括多个查找表，其中对于相应速度，每个查找表提供转矩指令(Tcmd)对直轴电流指令(I_d_cmd)和转矩指令(Tcmd)对q轴电流指令(iq_cmd)。参照本发明的图5-6进一步详细说明步骤S160。

图3A和图3B提供用于多个速度(包括临界速度和基本速度)和用于基本速度的MTPA轨迹的电压限制椭圆的图形说明。

图3A包括在根据本发明的实施例的d-q平面中的多个曲线和多个电压限制椭圆。多个曲线包括MTPA轨迹(OB)、每转矩最低电压(MVPT)轨迹(MJ)和定子电流限制(SCL)轨迹(ABJD)。所述多个电压限制椭圆包括基本速度(ω_b)、过渡速度(ω_transition)和临界速度(ω_critical)。

MVPT轨迹从电压限制的观点确定每个速度处的峰值输出转矩。SCL轨迹确定操作通过IPM机的定子绕组的峰值允许电流。点B是MTPA轨迹和SCL轨迹的交点，并且点J是在SCL轨迹和MVPT轨迹的交点。

在基本速度(ω_b)被定义为在电压限制椭圆与点B交叉时的速度。当电压限制椭圆交与J叉点时，相应速度被定义为过渡速度ω_transition。最后，当将电压限制椭圆与点O交叉时，相应的电动机速度被定义为临界速度ω_critical。

在没有电压约束的情况下IPM机沿着MTPA轨迹操作，或在需要通量弱化时沿着电压限制椭圆操作。

图3B示出根据本发明的实施例的d-q平面中的多个电压限制椭圆和多个曲线。多个曲线包含如以上参照图3A所述的相同轨迹。多个电压限制椭圆对应于第一，第二，第三和第四操作速度，其被分别地包括进入四个主要的操作区域，如下面进一步描述。

首先，当操作速度低于基本速度时(例如，ω<ω_base，诸如ω1)，IPM机沿着MTPA轨迹(OEGB)操作，没有对电压限制的限制。这种情况属于非通量弱化区域。如参照图1所说明的那样，如果操作速度是基本速度或低于基本速度，基于MTPA确定操作轨迹。在这种情况下，操作轨迹是OEGB。

其次，当IPM机的操作速度大于基本速度并且小于过渡速度(例如，ω_base<ω<ω_transition，如ω₂)时，IPM机沿着MTPA轨迹操作，直到达到电压限制边界点G。之后，IPM机切换到电压限制椭圆轨迹，直到达到SCL边界点C。在速度ω₂处的操作轨迹是曲线OEGC并且输出转矩沿着这个操作曲线单调增加。在这个速度处的峰值转矩由定子电流限制边界确定。这种情况属于局部通量弱化区域。参照图1所说明的那样，当操作速度大于基本速度并且小于临界速度时，操作轨迹可以基于电压限制椭圆和MTPA轨迹的比较。参照图5进一步说明这些特性。然而，根据电流限制值和机器设计参数，过渡速度可能会或可能不存在。例如，如果电流限制值相对较大，则图3B中的过渡速度可能没有加以考虑。在这种情况下，基本速度以上的峰值转矩总是由MVPT曲线而不是定子电流限制曲线限制。

第三，当IPM机的操作速度大于过渡速度并且小于临界速度(例如，ω_transition<ω<ω_critical诸如<ω₃)时，IPM机沿着MTPA轨迹操作，直到达到电压限制边界点E。之后，IPM机电压限制椭圆进一步操作，直到达到MVPT边界点K。在速度ω₃处的操作轨迹是曲线OEK并且输出转矩沿着这个操作曲线单调增加。在这个速度处的的峰值转矩由边界MVPT确定。这种情况也属于局部通量弱化区域。如参照图1所说明的那样，在操作速度大于基本速度并且小于临界速度时，操作轨迹可能会基于电压限制椭圆和MTPA轨迹的比较。参照图5进一步说明这些特性。

第四，当IPM机的操作速度大于临界速度时(例如，ω>ω_critical例如ω₄)，IPM机总是沿着电压限制椭圆操作，直到达到MVPT边界点L。在速度ω₄处的操作轨迹是曲线NL并且输出转矩沿着这条操作曲线单调递增。这种情况属于通量弱化区域。参照图1所说明的那样，如果操作速度高于临界速度，操作轨迹基于仅具有单调递增转矩的电压限制椭圆确定。

图4-6示出用于确定操作轨迹并且生成用于多个速度的操作点的方法，所述用于多个速度的操作点可能落入根据本发明的实施例的上述确定的区域中的任一区域。

图4示出根据本发明的实施例的计算用于第一阈值速度或者小于的第一阈值速度的速度的MTPA轨迹的方法(例如，在图1中的步骤S120)。

在步骤410中，处理器205加载IPM机参数，例如包括电感查找表、反电动势常数和／或电流限制。处理器205可以被配置加载本技术领域的普通技术人员公知的其他IPM机参数。

在步骤415中，处理器205确定初始表。初始表包括具有涵盖用于预设电流限制的所有可能值的I_d，I_q组合。例如，当预置电流限制是500A时，具有(I_d，I_q)的501×501组合。因此，初始表包括每个可能的组合，诸如(OA，1A；OA，2A；...500A，500A)。

在步骤S420中，处理器205计算电流峰值幅度(I_s)、电流控制角(γ)、用于初始表的每个I_d，I_q组合的L_d和L_q值。例如，处理器205基于方程式1和2计算用于每个I_d，I_q组合的电流峰值幅度(I_s)和电流控制角(γ)。然后，处理器205使用电感查找表和计算的电流峰值幅度和电流控制角，获得用于每个I_d，I_q组合的L_d和L_q值。例如，使用计算的电流的峰值幅度(I_s)和电流控制角(γ)作为输入，处理器205在电感值查找表中查找对应的L_d和L_q。另外，在步骤S420中，处理器例如根据下面的公式计算用于初始表的每个I_d，I_q组合的转矩。

方程式(4)Torque=1.5·p·(λ_f+(Ld-Lq)·Id)·Iq

参数p是极对数，λ_f是反电动势常数，参数L_d和L_q是从电感查找表中获得的电感值，并且参数I_d和I_q是从初始表获得的。

在步骤S425中，处理器205设定用于各自转矩指令的范围。例如，对于特定转矩指令，如100Nm，处理器设定转矩范围，例如，99.5Nm到100.5Nm。如下文进一步说明，处理器205将重复此步骤，以获得用于在多个转矩指令中的每个转矩指令的优选操作点。

在步骤S430中，处理器205从初始表中确定用于可以在设定范围内生成转矩并且不超过电流限制的转矩指令的I_d，I_q组合的子集。例如，使用步骤S420的结果，处理器205检索可以在转矩范围内生成转矩的所有I_d，I_q组合。用于在确定的子集中的I_d，I_q的组合的每一个的计算的转矩落入包括各个转矩指令的设定转矩范围内。

在步骤S435中，使用来自步骤S430的结果，处理器205选择具有最小电流峰值幅度(I_s)的I_d，I_q组合。选定的I_d、I_q组合可以代表在这个子集中的最小的铜损的操作点。因此，所选的I_d，I_q组合可以是用于各个的转矩指令电平的优选操作点。

在步骤S440中，处理器205确定转矩指令是否是在表示全部转矩范围的多个转矩指令中的最后转矩指令。如果处理器205确定转矩指令不是最后转矩指令(否)，则处理返回到步骤S425。换句话说，步骤S425，S430和S435被重复用于全范围的转矩指令，例如，5Nm，10Nm，15NM...，直到最大输出转矩被分配优选操作点。

在步骤S450中，处理器205在至少一个存储器210中存储对应于多个转矩指令的选定的Id，I_q组合。

在步骤S455中，处理器205使用多项式曲线拟合操作计算MTPA轨迹，其包括选定I_d，I_q组合。多项式固化拟合操作可以是基于若干点生成曲线的任何类型的操作。返回到图3B，MTPA轨迹可以是OEGB曲线。

在步骤S460中，处理器205在至少一个存储器210中存储计算的MTPA轨迹系数。

对于在第一阈值速度处或小于第一阈值速度的速度，处理器205确定计算的MPTA轨迹作为用于该速度的操作轨迹。基于包括选定的I_d，I_q组合的操作轨迹，处理器205生成用于第一阈值速度或者小于第一阈值速度的速度的I_d，I_q映射，I_d，I_q映射将选定的I_d，I_q组合映射到多个转矩指令中的各转矩指令。例如，I_d，I_q映射包括对应于用于全转矩操作范围的每个转矩百分比(例如，5％，10％等)的选定的I_d，I_q组合。

图5示出根据本发明的实施例的、使用电压限制椭圆或者MTPA轨迹和电压限制椭圆的组合的生成用于超过第一阈值速度的操作速度的I_d，I_q映射的方法。图5示出用于生成用于一个操作速度的I_d，I_q映射的方法。然而，通过延伸用于多个速度的图5的操作，图6在图5的方法上进一步延伸。

在S510中，处理器205加载机器参数和从至少一个存储器210加载在图4中确定的MTPA系数。

在S515中，处理器205选择在从高于第一阈值速度到IPM机的最高速度之间的多个速度范围中的一个。处理器205根据下面的公式计算出相应的电频。

方程式(5)ω_critical=n/60·p·2·(pi)

参数n是在转子的速度，单位为rpm，p是极对数。

在步骤S520中，基于如下公式，处理器205根据DC总线电压电平计算相终端电压限制。

方程式(6)

V_limit是相终端电压限制，V_dc是DC总线电压，并且参数η是考虑操作条件的系数。例如，系数η可以是百分比，例如92％。系数η的值可以是表示范围或电压余度的任何百分比。例如，系数η可以是90％和95％之间的任何值。在一个特定的实施例中，为了对于电压余度(voltage margin)有8％空间，系数η可以是92％，使得可以考虑到情况的范围，诸如由于环境温度引起的磁场强度变化、在瞬态期间的快速转矩指令动态请求额外电压和/或不完美的DC总线电压测量。

在S525中，处理器205为所选择的操作速度确定用于电压限制椭圆的右顶点的I_d顶点值。例如，右顶点可以被初始化为(0，0)。接下来，根据下面的公式计算初始化点的终端电压。

方程式(7)v_d=r_si_d-ω_eL_qi_q

方程式(8)v_q=r_si_q＋ω_eL_di_d+ω_eλ_f

方程式(9)

v_{term} = \sqrt{v_{d}^{2} + v_{q}^{2}}

参数V_d是d轴电压，v_q是q轴电压，r_s为定子电阻，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，λ_f是在IPM的转子上的永磁体的强度。L_d和L_q从查找表中获得。

如果从方程(7)-(9)生成的终端电压V_term低于从方程(6)获得的相端电压限制V_limit，I_d顶点值大于零。否则，在保持I_q=0时，处理器205沿着负的d轴逐渐增大I_d值的幅度(例如，从0到-1，-2等等)，直到生成的终端电压V_term等于或约等于相端电压限制V_limit。然后，处理器205设置实现这个条件的最接近的整数值为I_d顶点值，该值是一个负数。

在S525中，处理器205确定所确定的I_d顶点的值是否大于零。如果处理器205确定所确定的I_d顶点值是大于零(“是”)，处理器205强制顶点I_d值到零，并且过程前进到步骤S540。如果处理器205确定所确定的I_d顶点值小于或等于零(否)，该过程使用在步骤S540中所确定的I_d顶点值。

在S540中，处理器205计算对应于I_d值范围内的最大允许I_q值，其中I_d值的范围是从所确定的I_d顶点值到预先设定的最小I_d限制。预设的最小I_d限制应选择成在该I_d限制处生成的最大转矩将等于或超过在选定的速度处的规定的峰值转矩。例如，如果I_d为-50A，那么I_q值从0增加到1，处理器评估至少两个条件：(1)对应的终端电压V_term是否低于相终端电压限制V_limit和(2)峰值电流幅度是否低于电流限制。如果对于两个条件结果是肯定的，处理器205增加I_q幅度(例如，到2，3，4等)，直到来自上述条件中的至少一个的结果是否定的。其结果是，处理器205为在范围内的每个I_d值计算最大可允许I_q值。值得注意的是，上述程序适用于以下两种情况：ω_base<ω<ω_transition和ω_transition<ω<ω_critial，如上参照图3(b)所述。

在步骤S545中，处理器205计算在电压限制椭圆的不同点处的转矩。正如上文所述，在集I_d范围内，处理器205计算用于每个相应的I_d值的最大可能值I_q。然后，对于每一个(I_d，I_q)组合，处理器205获得相应的电流峰值幅度I_s、流控制角、电感值L_d，L_q，并且然后基于方程式(1)-(4)计算在沿着电压限制椭圆的每一个发现点处的转矩。

在步骤S550中，处理器205通过找到电压限制椭圆的单调增加的转矩，以及随后丢弃单调递减转矩来截断(truncate)计算的电压限制椭圆。例如，由于在沿着电压限制椭圆的每一个点处的转矩值从步骤S545已知，处理器205在计算的转矩停止增加时截断电压限制椭圆。

在步骤S555中，处理器205确定I_d顶点值是否小于零。如果处理器205确定I_d顶点值小于零(是)，这表明所选择的速度等于或高于第二阈值速度(例如，在临界速度)。因此，在步骤S560中，处理器205选择截断的电压限制椭圆作为操作轨迹，并且基于截断的电压限制椭圆生成I_d，I_q映射。如果处理器205确定I_d顶点值等于或大于零(否)，这表明所选择的速度低于第二阈值速度(例如，临界速度)并且高于第一阈值速度(例如，基本速度)。因此，如下面进一步解释，处理器205基于MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的比较，确定操作轨迹。

在步骤S565中，处理器205在相同的d轴电流范围中从图4中计算MTPA轨迹。接着，在步骤S570中，处理器205比较计算的MTPA轨迹与计算的截断电压限制椭圆。在步骤S575中，处理器205为每个I_d值选择计算的MTPA轨迹的I_q值和计算的截断电压限制椭圆的I_q值中的较小者。因此，用于选择的速度的操作轨迹包括选定的I_q值。

图6示出一种根据本发明的一个实施例的、为多个速度计算操作轨迹以及基于操作轨迹来生成多个集成的I_d，I_q映射的方法。

在步骤610中，处理器210从所述至少一个存储器210加载机器参数。在步骤615中，处理器210为在图4中计算的第一阈值速度加载MTPA轨迹。在步骤620中，处理器205构建从最高速度矢量到第一阈值速度的速度矢量。在步骤625中，处理器205使用在图5中描述的方法选择一个速度矢量并且计算用于那个速度的操作轨迹。在步骤S630中，处理器基于计算的操作轨迹生成I_d，I_q映射。

在步骤S635中，处理器205确定是否所选定的速度矢量是最后矢量。如果处理器205确定所选择的速度矢量不是最后矢量(否)，处理器返回到步骤S625。因此，对于矢量中的多个速度中的每一个速度，处理器205重复步骤S625和步骤S630。其结果是，处理器205生成用于多个速度的多个I_d，I_q映射。如果处理器205确定所选择的速度矢量是最后矢量(是)，则过程继续到步骤645，以在速度矢量中的所有被评价的速度处构建集成的I_d，I_q映射。

任选地，在步骤650中，处理器205可以在相同的d-q平面中绘制在所有速度处的I_q对I_d轨迹来验证所获得的数据的真实性。

下面参照图7描述特征化尤其是根据上述程序生成的初始查找表的应用。

根据一个实施例，图7公开一种用于控制IPM机117(例如，内部永磁体(IPM)IPM机)或其他交流机器的系统。在一个实施例中，该系统，除了IPM机117以外，可以被称为逆变器或IPM机控制器。

该系统包括电子模块、软件模块，或两者兼而有之。在一个实施例中，IPM机控制器包括电子数据处理系统120以支持存储、处理或执行一个或多个软件模块的软件指令。电子数据处理系统120由在图7中的虚线表示并且更详细地示于图8中。

数据处理系统120连接到逆变器电路188。逆变器电路188包括半导体驱动电路，驱动或控制半导体开关(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他功率晶体管)以输出用于IPM机117的控制信号。逆变器电路188又连接到IPM机117。IPM机117与传感器115(例如，分解器或编码器或位置传感器)相关连，传感器115与IPM机轴126或转子相关连。例如，传感器115和IPM机117连接到数据处理系统120，以提供反馈数据(例如，电流反馈数据，诸如ia，ib，ic)、原始位置信号以及其他可能的反馈数据或信号的。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、三相电压数据或用于IPM机117的其他热或性能信息。

在一个实施例中，指令生成模块105连接到d-q轴电流生成管理器109(例如，d-q轴电流生成查找表)，且来自计算模块110的调节后的电压速度比率输入到d-q轴电流生成管理器109。D-q轴电流生成管理器109可以存储上述查找表的任何一个。d-q轴电流生成管理器109的输出和电流调节模块107(例如，d-q轴电流调节模块107)的输出被馈送到加法器119。加法器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))被提供或连接到电流调节器111。

电流调节控制器111能够与脉冲宽度调制(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接收各个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)和输出相应的d-q轴电压指令(例如，V_d ^*和V_q ^*指令)，用于输入到PWM生成模块112。

在一个实施例中，例如，PWM生成模块112将直轴电压和正交电压数据从两个相位数据表示转换为用于IPM机117的控制的三相位表示(例如，三相电压表示，诸如v_a ^*，v_b ^*和v_c ^*)。PWM生成模块112的输出连接到逆变器188。

逆变器电路188包括功率电子元件，诸如开关半导体，以生成、修改和控制脉冲宽度调制信号或施加到IPM机117的其他交流电流信号(例如，脉冲、方波、正弦波或其他波形)。PWM生成模块112提供输入到在逆变器电路188内的驱动器阶段的输入。逆变器电路188的输出阶段提供用于控制IPM机的脉冲宽度调制电压波形或其他电压信号。在一个实施例中，逆变器188由直流(DC)电压总线供电。

IPM机117与传感器115(例如，分解器、编码器、速度传感器或另一个位置传感器或速度传感器)相关，传感器115估算IPM机轴126的角位置、IPM机轴126的速度或转速和IPM机轴126的转动的方向的至少一个。传感器115可以被安装在IPM机轴126或与IPM机轴126一体。传感器115的输出与主处理模块14(例如，位置和速度处理模块)能够通信。在一个实施例中，传感器115可以连接到模数转换器(未示出)，将模拟位置数据或速度数据分别地转换成数字位置或速度数据。在其它实施例中，传感器115(例如，数字位置编码器)可以提供用于IPM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，IPM机117的位置数据和速度数据)通信到相位转换器113(例如，三相到两相电流帕克转换模块)，相位转换器113将测得的电流的相应的三相数字表示转换成被测量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，速度数据)通信到计算模块110(例如，调节后的电压对速度比率模块)。

感测电路124的输入端连接到IPM机117的终端，用于至少感测测得的三相电流和直流(DC)总线(例如，高电压DC总线，其可以提供直流电源到逆变器电路188)的电压电平。感测电路124的输出端连接到模数转换器122，用于数字化感测电路124的输出。模数转换器122的数字输出又连接到辅助处理模块116(例如，直流(DC)总线和三相电流处理模块)。例如，感测电路124与IPM机117相关，用于测量三相电流(例如，施加到IPM机117的绕组的电流、感应到绕组内的反电动势EMF，或两者)。

主处理模块114和辅助处理模块116的某些输出馈送给相位转换器113。例如，相位转换器113可以应用帕克转换或其他转换方程(例如，对于本技术领域的普通技术人员是已知的合适的某种转换方程)，以基于将来自辅助处理模块116的数字三相电流数据和来自传感器115的位置数据，将电流的测量的三相电流表示转换成电流的两相表示。相位转换器113模块的输出连接到电流调节控制器111。

主处理模块114和辅助处理模块116的其它输出可以耦合到计算模块10(例如，被调节的电压对速度比率计算模块)的输入端。例如，主处理模块114可以提供速度数据(例如，IPM机轴126每分钟转数)，而辅助处理模块116可以提供直流电压(例如，在车辆的直流(DC)总线上)的测得的电平。供给逆变器电路188电能的在DC总线上的直流电流电压电平可能会波动或发生变化，因为各种因素，包括，但不限于环境温度、电池状态、电池充电状态、电池电阻或电抗、燃料电池状态(如果适用)、IPM机加载条件、相应的IPM机转矩和相应的操作速度和车辆电气负载(例如，电驱动空调压缩机)。计算模块110连接在辅助处理模块116和d-q轴电流生成管理器109之间的中间位置。尤其的，计算模块110的输出可以调节或影响由d-q轴电流生成管理器109生成的电流指令，以补偿在DC总线电压中的波动或变化。计算模块110的结构和操作详细描述在由本申请的发明人在2011年2月28日提交的美国专利申请号标题未知的申请中，其全部内容通过引用结合于此。

转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106和终端电压反馈模块108连接到d-q轴电流调节模块107或能够与d-q轴电流调节模块107通信。d-q轴电流模块107又可以与d-q轴电流生成管理器或加法器119通信。

转子磁体温度模块104估计或确定转子永久磁体或磁体的温度。在一个实施例中，转子磁体温度估算模块104可以从定位在定子上、与定子热连通或固定到IPM机117的壳体的一个或多个传感器估计转子磁体温度。

在另一个实施例中，转子磁体温度估算模块104可以被温度检测器替换，温度检测器(例如，热敏电阻和无线发射器，诸如红外热传感器)安装在转子或者磁体上，其中检测器提供表示磁体或多个磁体的温度的信号(例如，无线信号)。

在一个实施例中，方法或系统可以下列方式操作。转矩指令生成模块105经由车辆数据总线118接收输入控制数据消息，例如速度控制数据消息、电压控制数据消息或转矩控制数据消息。转矩指令生成模块105将所接收的输入控制消息转换为转矩指令指令数据316。

d-q轴电流生成管理器109选择或确定与相应的转矩指令指令数据和相应的被检测的IPM机轴126速度数据相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通过访问诸如上述查找表的控制查找表，选择或确定直轴电流指令、正交轴电流指令。IPM机117上的传感器115有利于提供用于IPM机轴126的所检测的速度数据，其中主处理模块114可以将由传感器115提供的位置数据转换成速度数据。

基于来自转子磁体温度估计模块104、电流成形模块106和终端电压反馈模块108的输入数据，电流调节模块107(例如，d-q轴电流调节模块)提供电流调节数据来调节直轴电流指令数据和正交轴电流指令数据。

例如，根据一个或多个以下因素，电流成形模块106可以确定正交轴(q轴)电流指令和直轴(d轴)电流指令的校正或初步调节：IPM机117上的转矩载荷和IPM机117的速度。例如，基于转子温度的估计的变化，转子磁体温度估算模块104可以生成q轴电流指令和d轴电流指令的辅助调节。基于控制器电压指令对电压限制，终端电压反馈模块108可以提供对d轴和q轴电流的第三调节。电流调节模块107可以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。

在一个实施例中，IPM机117可以包括内部永磁体(IPM)机或同步的IPM机(IPMSM)。例如，相比于传统的感应机器或表面安装的永磁电动机(SMPM)，IPMSM具有许多有利的优势，诸如高效率、高功率密度、宽的恒功率操作区域、免维护。

传感器115(例如，轴或转子速度检测器)可以包括下列各项的一个或多个：直流IPM机、光学式编码器、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)。在一个配置中，传感器15包括位置传感器，其位置数据和相关时间数据被处理，以确定IPM机轴126的速度或速率数据。在另一种结构中，传感器115包括速度传感器，或速度传感器和积分器的组合，以确定IPM机轴的位置。

在又一种构造中，传感器115包括辅助的、结构紧凑的直流发电机，机械地耦合到IPM机117的IPM机轴126以确定IPM机轴126的速度，其中直流电流发生器生成与IPM机轴126的转动速度成比例的输出电压。在另一种构造中，传感器115包括具有光源的光学编码器，其朝向耦接到轴126的旋转物体发送信号，并且在光学检测器处接收反射或衍射信号，其中接收到的脉冲信号(例如，方波)的频率可以与IPM机轴126的速度成比例。在另外的构造中，传感器15包括具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流，其中在第二绕组中感应的电压随着转子的转动频率变化。

在图8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和一个或多个数据端口连接到数据总线262，以支持在数据处理装置264、数据存储装置260和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可以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、算术逻辑单元、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可以包括用于存储数据的任何磁的、电子或光学装置。例如，数据存储装置260可以包括电子数据存储装置、电子存储器、非易失性随机存取存储器、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、光学盘片驱动器等。

如图8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、第四个数据端口274和第五数据端口276，当然也可以使用任何合适数量的数据端口。例如，每个数据端口可以包括收发器和缓冲存储器。在一个实施例中，每个数据端口可以包括任何串行或并行的输入/输出端口。

在一个实施例中，如图8所示，第一数据端口268连接到车辆数据总线118。车辆数据总线18又连接到控制器266。在一种构造中，第二数据端口270可以连接到逆变器电路188；第三数据端口272可以连接到传感器115；第四数据端口274可以连接到模数转换器122；和第五数据端口276可以连接到终端电压反馈模块108。模数转换器122连接到感测电路124。

在数据处理系统120的一个实施例中，转矩指令生成模块105与电子数据处理系统120的第一数据端口268相关联或者由电子数据处理系统120的第一数据端口268支持。第一数据端口268可以连接到车辆数据总线118，诸如控制器区域网络(CAN)数据总线。车辆数据总线118可以通过第一数据端口268提供具有转矩指令的数据总线消息到转矩指令生成模块105。车辆的操作者可以通过用户接口，例如节气门踏板、控制器266或其他控制设备，生成转矩指令。

在某些实施例中，传感器115和主处理模块114可以与数据处理系统120的第三数据端口272相关联或由数据处理系统120支持。

虽然这样描述本发明，明显地，本发明可以以许多方式变化。这样的变化不被视为偏离本发明，所有这样的修改意在被包括在本发明的范围之内。

Claims

1.一种用于生成用于控制内部永磁体(IPM)机的初始操作点的方法，所述方法包括：

加载电感查找表，电感查找表包括多组直轴电感(Ld)值和正交轴电感(Lq)值，每组直轴电感(Ld)值和正交轴电感(Lq)值对应于电流峰值幅度和电流控制角，电流控制角表示显示为直轴电流(I_d)和正交轴电流(I_q)的电流峰值幅度的值；

基于IPM机的机器参数进行第一计算，计算用于第一阈值速度的每安培最大转矩(MTPA)轨迹，机器参数包括电感查找表；

如果第一速度高于第一阈值速度，则基于机器参数进行第二计算，计算用于第一速度的具有单调增加转矩的截断的电压限制椭圆；

基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆中的至少一个确定在第一速度处的操作轨迹；和

基于确定的操作轨迹生成I_d，I_q映射，所述I_d，I_q映射将I_d值和I_q值映射到用于第一速度的多个转矩指令的每个转矩指令。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一阈值速度是基本速度，基本速度是实现IPM机的最大恒定输出转矩处的最大轴速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定在第一速度处的操作轨迹步骤包括：

如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，所述确定在第一速度处的操作轨迹步骤基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的比较来确定操作轨迹；

如果第一速度是第二阈值速度或高于第二阈值速度，所述确定在第一速度处的操作轨迹步骤基于仅具有单调增加的转矩的计算的截断电压限制椭圆来确定操作轨迹；和

如果第一速度是第一阈值速度或低于所述第一阈值速度，所述确定在第一速度处的操作轨迹步骤基于计算的MTPA轨迹来确定操作轨迹。

4.根据权利要求3所述的方法，其中第二阈值速度是临界速度，所述临界速度是在来自IPM机的反电动势(backemf)的不受控制的生成(UCG)电压等于直接电流(DC)总线电压处的速度。

5.根据权利要求3所述的方法，其中如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，所述确定在第一速度处的操作轨迹步骤包括：

为每一个I_d值选择计算的MTPA轨迹的I_q值和计算的截断电压限制椭圆的I_q值中的较小者，其中操作轨迹包括所选择的I_q值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中第一计算步骤包括：

确定初始表，所述初始表包括具有涵盖用于预设电流限制的所有可能值的值的I_d，I_q组合；

计算电流峰值幅度、电流控制角和用于初始表的每个I_d，I_q组合的L_d和L_q值；

基于机器参数，计算用于初始表的每个I_d，I_q组合的转矩；

设置用于多个转矩指令的每一个的转矩范围；

基于计算的转矩和设定的转矩范围来确定用于每个转矩指令的I_d，I_q组合的子集；

从每个子集选择I_d，I_q组合，所述I_d，I_q组合具有小于子集的其他I_d，I_q组合的计算的电流峰值幅度；和

基于选择的I_d，I_q组合的组计算MTPA轨迹。

7.根据权利要求6所述的方法，其中用于在确定的子集中的每个I_d，I_q组合的计算的转矩落入包括相应转矩指令的设定的转矩范围内。

8.根据权利要求1所述的方法，其中第二计算步骤包括：

基于机器参数确定在设定的轴转速处的用于电压限制椭圆右顶点的I_d顶点值；

计算对应于I_d值的范围的最大允许I_q值，I_d值的范围从所确定的I_d顶点值到预先设定的最低I_d限制；和

基于计算的最大允许I_q值计算用于第一速度的电压限制椭圆。

9.根据权利要求8所述的方法，其中如果确定的I_d顶点值大于零，I_d顶点值被强制为0。

10.根据权利要求8所述的方法，其中第二计算步骤还包括：

计算在第一速度处的沿着计算的电压限制椭圆的点的转矩；和

通过忽略单调递减转矩截断计算的电压限制椭圆。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括：

利用基于有限元分析的模拟获得Ld值和Lq值；和

基于获得的电感参数生成电感查找表。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过为每一个速度重复第二计算步骤、确定在第一速度处的操作轨迹步骤和生成I_d，I_q映射步骤，为多个速度生成不同的I_d，I_q映射；和

基于多个I_d，I_q映射，构建集成的I_d，I_q映射。

13.一种IPM机，包括具有在权利要求1中的生成的I_d，I_q映射的机器控制器。

14.一种用于生成用于控制内部永磁体(IPM)机器的初始操作点的方法，所述方法包括：

基于IPM机的机器参数进行第一计算，计算用于第一阈值速度的每安培最大转矩(MTPA)轨迹；

如果第一速度高于第一阈值速度，基于机器参数进行第二计算，计算具有用于第一速度的单调增加转矩的截断的电压限制椭圆；

基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆中的至少一个，确定在第一速度处的操作轨迹，所述确定在第一速度处的操作轨迹步骤包括：

如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，则基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的比较，确定所述操作轨迹；和

基于确定的操作轨迹生成I_d，I_q映射，所述I_d，I_q映射将直轴电流(I_d)值和正交轴电流(I_q)值映射到用于第一速度的多个转矩指令中的每一个转矩指令。

15.根据权利要求14所述的方法，其中

第一阈值速度是基本速度，所述基本速度是达到IPM机的最大恒定的输出转矩的最大轴速度，

第二阈值速度是临界速度，临界速度是在来自IPM机的反电动势(backemf)的不受控制的生成(UCG)电压等于直流(DC)总线电压处的速度。

16.根据权利要求14所述的方法，其中机器参数包括电感查找表，所述电感查找表包括多组直轴电感(Ld)值和正交轴电感(Lq)值，每组直轴电感(Ld)值和正交轴电感(Lq)值对应于电流峰值幅度和电流控制角，电流控制角表示显示为I_d和I_q的电流峰值幅度的值。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述确定在第一速度处的操作轨迹步骤还包括：

如果第一速度是第二阈值速度或高于所述第二阈值速度，所述确定在第一速度处的操作轨迹步骤基于仅具有单调增加转矩的计算的截断电压限制椭圆来确定操作轨迹；和

如果第一速度是第一阈值速度或低于第一阈值速度，所述确定在第一速度处的操作轨迹步骤基于计算的MTPA轨迹来确定操作轨迹。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述确定步骤还包括：

为每一个I_d值选择计算的MTPA轨迹的I_q值和计算的截断电压限制椭圆的I_q值中的较小者，其中所述操作轨迹包括所选择的I_q值。

19.根据权利要求14所述的方法，其中第一计算步骤包括：

确定初始表，所述初始表包括具有涵盖用于预设的电流限制的所有可能的值的值的I_d，I_q组合；

基于机器参数计算用于初始表的每一个I_d，I_q组合的转矩；

设定用于多个转矩指令的每一个的转矩范围；

基于计算的转矩和设定的转矩范围，为每个转矩指令确定I_d，I_q组合的子集；

从每个子集选择具有小于子集的其他的I_d，I_q组合的计算的电流峰值幅度的I_d，I_q组合；和

基于I_d，I_q组合的选择的组来计算MTPA轨迹。

20.根据权利要求19所述的方法，其中在确定的子集中的用于每个I_d，I_q组合的计算的转矩落入包括相应的转矩指令的设定的转矩范围内。

21.根据权利要求14所述的方法，其中第二计算步骤包括：

基于机器参数确定在设定的轴转速处的在电压限制椭圆右顶点处的I_d顶点值；

计算对应于I_d值的范围的最大允许I_q值，I_d值的范围从确定的I_d顶点值到预设的最小I_d限制；和

22.根据权利要求21所述的方法，其中如果确定的I_d顶点值大于零，I_d顶点值被强制为零。

23.根据权利要求21所述的方法，其中第二计算步骤还包括：

计算在第一速度处沿着计算的电压限制椭圆的转矩；和

通过忽略单调递减转矩，截断计算的电压限制椭圆。

24.根据权利要求14所述的方法，还包括：

通过对于每个速度重复第二计算步骤、确定在第一速度处的操作轨迹步骤和生成I_d，I_q映射步骤，生成用于多个速度的不同的I_d，I_q映射；和

基于多个I_d，I_q映射，构建集成的I_d，I_q映射。

25.一种IPM机，包括具有在权利要求14中生成的I_d，I_q映射的机器控制器。

26.一种计算机处理单元，用于生成用于控制内部永磁体(IPM)机器的初始操作点，所述计算机处理单元包括：

存储器，配置成存储机器参数，所述机器参数包括电感查找表，所述电感查找表包括多组直轴电感(L_d)值和正交轴电感(L_q)值，每组直轴电感(L_d)值和正交轴电感(L_q)值对应于电流峰值幅度和电流控制角，电流控制角表示显示为直轴电流(I_d)和正交轴电流(I_q)的电流峰值幅度的值；和

处理器，够造成用于基于机器参数进行第一计算，计算用于第一阈值速度的每安培最大转矩(MTPA)轨迹，

所述处理器够造成，如果第一速度高于第一阈值速度，基于机器参数进行第二计算，计算具有用于第一速度的单调增加转矩的被截断的电压限制椭圆，

所述处理器够造成，基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆中的至少一个，确定在第一速度处的操作轨迹，

所述处理器够造成基于确定的操作轨迹生成I_d，I_q映射，所述I_d，I_q映射将I_d值和I_q值映射到用于第一速度的多个转矩指令的每个转矩指令。

27.根据权利要求26所述的计算机处理单元，其中第一阈值速度是基本速度，所述基本速度是实现IPM机的最大恒定输出转矩处的最大轴速度。

28.根据权利要求26所述的计算机处理单元，其中

如果第一速度低于第二阈值的速度且高于第一阈值速度，处理器被配置为基于计算的MTPA轨迹和计算的截断电压限制椭圆的比较来确定操作轨迹；

如果第一速度是第二阈值速度或高于第二阈值速度，处理器被配置为基于仅具有单调增加转矩的计算的截断电压限制椭圆来确定操作轨迹；和

如果第一速度是第一阈值速度或低于第一阈值速度，处理器被配置为基于计算的MTPA轨迹确定操作轨迹。

29.根据权利要求28所述的计算机处理单元，其中第二阈值速度是临界速度，所述临界速度是在来自IPM机的反电动势(backemf)的不受控制的生成(UCG)电压等于直流(DC)总线电压处的速度。

30.根据权利要求28所述的计算机处理单元，其中如果第一速度低于第二阈值速度且高于第一阈值速度，所述处理器被配置成为每一个I_d值选择计算的MTPA轨迹的I_q值和计算的截断电压限制椭圆的I_q值中的较小者，其中操作轨迹包括所选择的I_q值。

31.根据权利要求26所述的计算机处理单元，其中处理器被配置为确定初始表，所述初始表包括具有涵盖用于预设电流限制的所有可能值的值的I_d，I_q组合；

处理器被配置为计算电流峰值幅度、电流控制角和用于初始表的每个I_d，I_q组合的L_d和L_q值；

所述处理器被配置为基于机器参数，计算用于初始表的每个I_d，I_q组合的转矩；

所述处理器被配置为为多个转矩指令的每一个设置转矩范围；

所述处理器被配置为基于计算的转矩和设定的转矩范围来确定用于每个转矩指令的I_d，I_q组合的子集；

所述处理器被配置为从每个子集选择具有小于子集的其他I_d，I_q组合的计算的电流峰值幅度的I_d，I_q组合；和

所述处理器被配置为基于选择的I_d，I_q组合的组计算MTPA轨迹。

32.根据权利要求31所述的计算机处理单元，其中用于在确定的子集中的每个I_d，I_q组合的计算的转矩落入包括对应的转矩指令的设定的转矩范围内。

33.根据权利要求26所述的计算机处理单元，其中

所述处理器被配置为基于机器参数确定在设定的轴转速处的用于电压限制椭圆右顶点的I_d顶点值；

所述处理器被配置为计算对应于I_d值的范围的最大允许I_q值，I_d值的范围从所确定的I_d顶点值到预先设定的最小I_d限制；和

所述处理器被配置为基于计算的最大允许I_q值计算用于第一速度的电压限制椭圆。

34.根据权利要求33所述的计算机处理单元，其中如果确定的I_d顶点值大于零，则I_d顶点值被强制为零。

35.根据权利要求33所述的计算机处理单元，其中

所述处理器被配置为计算在第一速度处的沿着计算的电压限制椭圆的点的转矩；

所述处理器被配置为通过忽略单调递减转矩截断计算的电压限制椭圆。

36.根据权利要求26所述的计算机处理单元，其中

所述处理器被配置为通过对于每个速度重复第二计算步骤、确定步骤和生成步骤来生成用于多个速度的不同的I_d，I_q映射；和

所述处理器被配置为基于多个I_d，I_q映射，构建集成的I_d，I_q映射。