CN104584420B - 控制永磁体马达的方法以及相应的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对包括配备有一个永磁体转子和一个定子的马达的马达推进单元进行控制的方法，所述方法包括一个步骤(ER)，该步骤调节该定子的这些电流，从而使得它们借助于多个控制信号(Vd，Vq)而达到它们的设定点，所述有待调节的电流和所述控制信号(Vd，Vq)是以一个包括多条轴线的转动参考坐标系来表达的，其特征在于，所述调节步骤(ER)针对所述多条轴线中的每一条轴线都包括将一个线性算子应用到所述轴线上的有待调节的电流上的一个步骤(E3)，该线性算子是根据该有待调节的电流的值相对于其设定点而不同的，这种应用线性算子的结果是在这个轴线上产生一个控制信号值(Vd，Vq)。

Description

控制永磁体马达的方法以及相应的系统

技术领域

本发明总体上涉及马达控制的技术领域，并且具体地涉及同步永磁体马达的控制。

背景技术

同步永磁体马达包括一个具有一个或多个永磁体的转子并且还包括一个包括绕组的定子，相对于彼此有相移的电流在这些绕组中循环以便在马达中产生一个转动磁场，从而驱动转子转动。因为转子的转动频率等于在定子内循环的电流的频率，所以这种马达或电机被认为是“同步的”。

为了控制这种马达的转矩，控制系统通过向定子的每个相施加合适的正弦电压来调节在定子内循环的电流的幅度。为了简化对系统内的转矩的控制算法，总体上使用帕克变换来将电流和定子电压投影到与转子相关联的转动参考坐标系内。因此，在帕克参考坐标系中，确定了有待施加到定子上的定子电压，以使得相应的定子电流产生期望的转矩。帕克参考坐标系中的这些定子电压被称为控制信号。通过执行帕克逆变换，控制系统于是确定有待施加到定子的不同相上以获得期望转矩(称为设定点转矩)的这些正弦电压。

这种马达例如作为电动或混合动力车辆中牵引马达的使用要求对转矩的可靠控制，这种控制要根据驾驶员对转矩需要快速地作出响应并且将转矩约束在与这种车辆的牵引用蓄电池的电压兼容的值范围内。当马达的转矩离开该值范围时，马达的控制系统通常变得不稳定，要避免这种不稳定。

被称为积分微分校正器(IP校正器)的校正器通常用于调节这种马达的定子电流。然而，这些校正器呈现出不稳定性问题，尤其是当期望快速系统时。为了克服这一点，计算出这些校正器的参数来确保在本说明书中指出的有待由马达观察的稳定性余量。另外，因为永磁体马达的固有参数(诸如其内阻或其电感)从一个马达到另一个马达是变化的，已知的是进一步增加这些稳定性余量并且由此进一步降低了校正器的性能，从而使得能够贯穿同系列车辆的所有马达使用完全相同的校正器。

在文件EP 0702451中披露了不使用积分微分校正器的一种校正器的另一个示例，其提出了一种响应于马达的负载变化控制同步永磁体机器的速度的解决方案。这种解决方案通常要求根据机器的速度校准校正器的增益或者补偿静态耦合项，而这必须能够被完美地测量。

发明内容

本发明的目标之一是通过提供一种控制方法和一种控制马达推进单元的系统来克服现有技术的至少某些缺点，这种方法和系统确保了独立于其速度对永磁体电动机的转矩的稳定和鲁棒控制并且为同系列内的大量生产的马达使用完全相同的恒定增益。

为此目的，本发明提出了用于对包括配备有永磁体转子和一个定子的电马达的一种马达推进单元进行控制的方法，所述方法包括调节该定子的这些电流从而使得它们借助于对该电马达的控制信号到达设定点电流值的步骤，所述有待调节的电流和所述控制信号是以在包括多条轴线的转动参考坐标系来表达的，所述方法的特征在于所述调节步骤针对所述多条轴线中的每一条轴线都包括将一个线性算子应用到所述轴线上有待调节的电流上的一个步骤，该线性算子根据所述有待调节的电流的值相对于其设定点值而不同，所述应用所述线性算子的步骤在所述轴线上提供了一个控制信号值。

由于本发明，使用了线性算子来获得马达的控制信号，因此使得一旦期望响应性控制方法就可以遵从给定的电流设定点而无需添加经常造成不稳定的积分部件。根据本发明的控制方法因此使得可以甚至在可变的速度下控制马达的转矩。

根据依照本发明的控制方法的有利特征，所述线性算子包括：

-一个第一项，其根据所述有待调节的电流的值相对于其设定点值使得在所述轴线上估计的一个控制信号的一个零阶分量根据有待调节的电流、所述转子的速度、以及所述马达推进单元的估计特征的值范围的极限值而最小化或最大化，

-以及一个第二项，其使用一个收敛因子与在所述轴线上与所述有待调节的电流成比例。

因此，使用了马达推进单元的特征的已知变化范围，从而确保了根据本发明的控制方法的鲁棒性。使用这些已知变化范围以及将线性算子以两部分构成公式就使得有待调节的电流可以快速地朝向其设定点值收敛。

根据进一步的有利特征，所述值范围包括从包括以下各项的组中选择的至少两个估计值：

-定子的等效电阻的估计值，

-马达推进单元的电感所述轴线之一上的估计值，

-转子的永磁体产生的磁通量的估计值。

使用这些估计值使得可以使用根据本发明的方法来消除对每个马达推进单元都测量所述马达推进单元的固有特征的需要，也就是说，其内阻、其电感或转子的永磁体产生的磁通量。因此，本发明可以无改动地应用于一整系列的大量生产的马达推进单元。

这种马达推进单元例如是电动或混合动力车辆的马达推进单元、具有通过四分之一转的转动的其固有特征的不变性。

根据进一步的有利特征，根据本发明的方法包括一旦所述轴线之一上的有待调节的电流与其设定点值之间的差的绝对值低于预先确定的阈值就使得所述轴线上的控制信号平滑的步骤。

该平滑步骤允许通过标准执行器而便利地实施根据本发明的方法。

本发明还涉及一种用于对包括配备有永磁体转子和一个定子的电马达的马达推进单元进行控制的系统，所述系统包括用于调节定子的这些电流从而使得它们借助于电马达的控制信号而到达设定点电流值的装置，所述有待调节的电流和所述控制信号是在包括多条轴线的转动参考坐标系中表达的，根据本发明的系统的特征在于所述调节装置针对所述多条轴线中的每一条轴线都包括将一个线性算子应用到所述轴线上有待调节的电流上的装置，该线性算子根据所述有待调节的电流的值相对于其设定点值而不同，所述施加所述线性算子的装置在所述轴线上提供了一个控制信号值。

根据依照本发明的系统的有利特征，所述线性算子包括：

-一个第一项，其根据所述有待调节的电流的值相对于其设定点值使得在所述轴线上估计的一个控制信号的一个零阶分量根据有待调节的电流、所述转子的速度、以及所述马达推进单元的估计特征的值范围的极限值而最小化或最大化，

-以及一个第二项，其使用一个收敛因子与在所述轴线上与所述有待调节的电流成比例。

根据依照本发明的系统的进一步的有利特征，所述值范围包括从包括以下各项的组中选择的至少两个估计值：

-定子的等效电阻的估计值，

-马达推进单元的电感所述轴线之一上的估计值，

-转子的永磁体产生的磁通量的估计值。

根据依照本发明的系统的进一步的有利特征，所述系统还包括一旦所述轴线之一上的有待调节的电流与其设定点值之间的差的绝对值低于预先确定的阈值就使得所述轴线上的控制信号平滑的装置。

本发明还涉及一种计算机程序，其包括当所述程序在一个或多个处理器上运行时实现根据本发明的控制方法的指令。

根据本发明的控制系统以及根据本发明的计算机程序具有与根据本发明的控制方法的优点相类似的优点。

附图说明

本发明的进一步的优点和特征将在于都参照附图描述的优选实施例时变得更明显，其中：

-图1示出永磁体马达

-图2示出根据本发明在本发明的本实施例中用于控制马达推进单元的方法的步骤，

-并且图3示出根据本发明在本发明的这一实施例中用于控制马达推进单元的系统。

具体实施方式

根据本发明的优选实施例，使用了根据本发明的控制方法来控制电动车辆的马达推进单元的永磁体马达的转矩。出于简化仅以一对磁极示意性地在图1中示出了这种马达。事实上，马达可包括多对磁极，例如五对磁极。

马达包括缠绕在围绕转子R的三个线圈Ba、Bb和Bc上的一个定子，这三个线圈分别由定子电流Ias、Ibs和Ics供能，这些电流是正弦的并且相对于彼此相移的2π/3弧度。跨各线圈施加以便获得这些电流的这些相应的正弦定子电压分别是Vas、Vbs和Vcs。

为了简化该这一马达的控制，这些定子电流和电压是在具有转子、极轴d和正交轴q的转动参考坐标系中表达的。极轴d对齐在从形成定子的磁体的南极S到北极N的方向上并且具有相对于线圈Ba的转动角θ。角度θ除以转子R的磁极对数的导数给出了永磁体马达的磁场以rad/s为单位的转动速度ω_r。

参照图2，根据本发明的控制方法被示出的形式为一种算法，该算法包括一个对定子电流进行调节以便观察到必需由永磁体马达提供的设定点转矩的高级步骤ER的步骤E1至E6。

该方法是在马达推进单元的一个或多个处理器中实施的。

步骤E1是控制设备DC接收由测量装置MM提供的马达的定子电流和马达的磁场的转动速度ω_r的测量值，如示出根据本发明的控制系统的图3所示。步骤E1还包括控制设备DC接收由表格提供的并且对应于设定点转矩的设定点定子电流。

接下来的步骤E2是参考坐标系改变装置MCR所执行的对测量的定子电流和在步骤E1中接收的设定点定子电流进行帕克变换。在一个变体中，可使用除帕克-康考迪亚变换(经常被称为帕克变换)之外的变换，例如帕克-克拉克变换。

参考坐标系改变装置MCR为控制设备DC提供以下值：

-Id，对应于以amps为单位的、在帕克参考坐标系的轴线d上测量的定子电流的值，

-Iq，对应于以amps为单位的、在帕克参考坐标系的轴线q上测量的定子电流的值，

-Idref，对应于以amps为单位的、在帕克参考坐标系的轴线d上的定子电流设定点，

-以及Iqref，对应于以amps为单位的、在帕克参考坐标系的轴线q上的定子电流的值。

应当注意，为了简化图3，其中的控制设备DC是直接接收在帕克参考坐标系中表达的这些电流值的。

接下来的步骤E3是在帕克参考坐标系的每条轴线上将一个线性算子应用到所测量的并且有待调节的定子电流Id和Iq上，所述线性算子是根据在这一轴线上的有待调节的电流值相对于其设定点值而不同的。步骤E3基于以下呈现的理论。

马达的这些控制信号按以下形式表达：

(等式1)

其中

-V_d和V_q分别是帕克参考坐标系的轴线d和q上的定子电压，以伏特为单位，

-R_s表示马达的定子的等效电阻，以欧姆为单位，

-L_d和L_q分别是帕克参考坐标系的每条轴线d和q上的电感，以亨为单位，

-Φ_f表示转子的磁体所产生的磁通量，以Wb为单位，

-并且算子是从变量导出的算子。

目标是达到设定点值，而不论是否存在轴线d和轴线q之间的耦合(在零速度、无耦合，见等式1)并且不论是否对磁通量Φ_f、电感L_d和L_q、以及电阻R_s的准确值的缺少了解。马达提供的转矩被表达为以下：

(等式2)

其中

-C_em是马达产生的电磁转矩，

-p是转子的磁极对数，

-并且Φ_d和Φ_q表示产生在帕克参考坐标系的轴线d和q上的磁通量。更确切地：

Φ_d＝L_dI_d+Φ_f和Φ_q＝L_qI_q (等式3)

总体上，这些永磁体马达具有轴线d和q之间的完美对称性，这意味着可以写出以下内容：

L_d＝L_q＝L_s (等式4)

并且因此，通过组合(2)和(3)，马达所提供的转矩被写为：

(等式5)

因此，为了以最大可能程度地限制损耗的方式来控制转矩，就有必要形成致使轴线d上的定子电流I_d尽可能接近于零的一种安排。为了提供设定点转矩，于是在轴线q上提供了定子电流I_q，并且在轴线d上提供了为零的定子电流I_d，以便针对该转矩获得最低幅度的电流并且由此获得最小的铁损。

此外，在控制设备DC中，提供了包括针对每个参数R_s、Φ_f和L_s的可能的变化范围或值范围的表格TAB：

L_s∈[L_{s min}；L_{s max}]并且

这些间隔中的最小值或最大值中的每一个都考虑了由于根据本发明控制的永磁体马达的大批量生产所导致的电流的变化和可能的耗散。在一个变体中，表格TAB仅针对每个不具有值范围的参数包括与从R_s、Φ_f和L_s选择的一个或两个参数相对应的一个或两个值范围以及一个估计值(例如一个平均值)。

我们现在将返回到对步骤E3的描述。在这一步骤E3中，控制设备DC的比较装置MCOMP首先将测量出的定子电流Id和Iq相对于其设定点值Idref和Iqref加以比较。根据比较装置MCOMP提供的有待调节的这些电流中的每个电流与其设定点值之间的差值的符号，施加装置MAPP对这些电流中的每个电流应用一个线性算子，从而因此在轴线d和q中的每一个轴线上提供根据这一符号的两个可能的定子电压。因而：

-如果Id≥Idref，则将线性算子OP1D应用到电流Id上并且是如下地获得定子电压的：

其中，min(x)是变量x的最小算子并且λ_d是用作收敛因子的正系数。事实上，该系数越低，电流Id就会朝向其设定点值Idref收敛得越慢。

项min(R_sI_d-ω_rpL_sI_q)使得控制信号Vd的零阶分量最小化，这是通过如果电流Id是正的就对电阻R_s取其值范围的最小值R_{s min}，或者如果电流Id是负的就取其最大值R_{s max}，并且通过如果电流Iq是正的就对电感L_s取其值范围的最大值L_{s max}，或者如果电流Iq是负的就取其最小值L_{s min}来实现的。

-如果Id<Idref，则将线性算子OP2D应用到电流Id上并且如下地获得定子电压：

其中，max(x)是变量x的最大算子并且项max(R_sI_d-ω_rpL_sI_q)使得控制信号Vd的零阶分量最大化，这是通过与Id≥Idref的情况相类似地对R_s和L_s选择相应的值范围的合适极限来实现的。

-类似地，如果Iq≥Iqref，则将线性算子OP1Q应用到电流Iq上并且如下地获得定子电压：

其中，λ_q是用作收敛因子的正系数。事实上，该系数越低，电流Iq就会朝向其设定点值Iqref收敛得越慢。

项min(R_sI_q+ω_rpL_sI_d+ω_rΦ_f)使得控制信号Vq的零阶分量最小化，这是通过与前述算子的情况一样地对R_s、L_s和Φ_f选择相应的值范围的合适极限来实现的。

-最终，如果Iq<Iqref，则将线性算子OP2Q应用到电流Iq上并且如下地获得定子电压：

项max(R_sI_q+ω_rpL_sI_d+ω_rΦ_f)使得控制信号Vq的零阶分量最大化，这是通过与前述算子的情况一样地对R_s、L_s和Φ_f选择相应的值范围的合适极限来实现的。

这种将这些线性算子在该步骤E3中应用到测量出的定子电流Id和Iq上使之有可能使得这些电流朝向其对应的设定点收敛。事实上，将这个等式(等式1)与定义定子电压和的等式相组合就使之有可能获得电流Id的导数的正的符号(如果Id<Idref)以及负的符号(如果Id≥Idref)并且还有可能具有电流Iq的导数的正的符号(如果Iq<Iqref)和负的符号(如果Iq≥Iqref)。

接下来的步骤E4是使得在步骤E3中获得的在与之间切换的定子电压V_d平滑的步骤，在电流Id与其设定点值Idref之间的差的绝对值一低于预定的阈值ε_d时就会执行这个步骤，以及，使得在步骤E3中获得的在与之间切换的定子电压V_q平滑的步骤，在电流Iq与其设定点值Iqref之间的差的绝对值一低于预先确定的阈值ε_q时就会执行这个步骤。

因此，步骤E4结束时的控制信号Vd和Vq如下：

通过线性插值进行平滑的这个步骤E4是由平滑装置MLIS执行的。有必要的是当定子电流足够接近其对应的设定点时使得这些电流不在其设定点附近以执行根据本发明的控制方法的处理器的频率振荡。

参数λ_d、λ_q、ε_d和ε_q是在校准步骤之后、在使用根据本发明的控制方法之前，通过对本说明书加以考虑地确定的并且从而确保了根据本发明的方法的鲁棒性。

接下来的步骤E5是通过参考表坐标系改变装置MCR来在三相系统中确定控制信号Vd和Vq，这对这些信号执行帕克逆变换。

最终，步骤E6是由控制设备DC将以这个三相系统表达的这些控制信号派发给一个PWM逆变器，该PWM逆变器处理这些信号并且将其发送到永磁体马达以便提供所请求的转矩。

应当注意，为了简化图3，其中的PWM逆变器是直接接收以帕克参考坐标系表达的控制信号的。

根据本发明的控制方法因此确保了电流的可靠变化而无须使用积分项，这在参数存在严重错误的情况下可以是不同的。当然有必要估计这些参数的变化范围以确保这种控制的运行。

这种调节策略提供的优点是总是在设定点的方向上改变电流，从而使得马达的实际参数在所选择的范围内。因此与不考虑参数散布的常规调节器相比，确保了更高的稳定性。此外，这种调节更快，因为其总是考虑了最坏的情况。不再需要估计平均参数，而只需为这些参数提供限制，这是更加简单的。

应当注意，在本发明的这一实施例中，马达具有轴线d和q之间的对称性，这简化了机器的控制信号的表达，然而，这一实施例可以容易地由本领域技术人员移植于其中的马达在轴线d和q之间是不对称的情况。同样，在本发明的变体中，永磁体马达具有异步类型。

Claims (8)

1.一种用于对包括配备有一个永磁体转子(R)和一个定子的电马达的一个马达推进单元进行控制的方法，所述方法包括一个调节步骤(ER)，该调节步骤调节该定子的待调节的电流(Id，Iq)，从而使得该待调节的电流借助于该电马达的多个控制信号(Vd，Vq)而达到多个设定点电流值(Idref，Iqref)，待调节的电流(Id，Iq)和所述控制信号(Vd，Vq)是在一个包括多条轴线(d，q)的转动参考坐标系中表达的，

其特征在于，所述调节步骤(ER)针对所述多条轴线中的每一条轴线(d，q)都包括将一个线性算子(OP1D，OP2D，OP1Q，OP2Q)应用到所述轴线上的待调节的电流(Id，Iq)上的一个应用步骤(E3)，该线性算子是根据所述待调节的电流(Id，Iq)的值相对于其设定点电流值(Idref，Iqref)而不同的，所述应用所述线性算子的应用步骤在所述轴线上提供了一个控制信号(Vd，Vq)的值，

其中所述线性算子(OP1D，OP2D，OP1Q，OP2Q)包括：

-一个第一项，其根据所述待调节的电流(Id，Iq)的值相对于其设定点电流值(Idref，Iqref)使得在所述轴线上估计的一个控制信号的一个零阶分量根据所述待调节的电流(Id，Iq)、所述转子的速度(ω_r)、以及用于估计所述马达推进单元的特征的值范围的极限值(R_smin，R_smax，L_smin，L_smax，Φ_fmin，Φ_fmax)而最小化或最大化，

-以及一个第二项，其与在所述轴线(d，q)上使用一个收敛因子(λ_d，λ_q)调节的待调节的电流(Id，Iq)成比例。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述值范围包括从包括以下内容的组中选择的至少两个估计值：

-对该定子的等效电阻(R_s)的一个估计值，

-对该马达推进单元在所述轴线(d，q)之一上的一个电感(L_s)的一个估计值，

-对该永磁体转子(R)的永磁体产生的一个磁通量(Φ_f)的一个估计值。

3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，其包括一旦所述轴线(d，q)之一上的该待调节的电流(Id，Iq)与其设定点电流值(Idref，Iqref)之间的差的绝对值低于一个预先确定的阈值(ε_d，ε_q)就在所述轴线上使得该控制信号(Vd，Vq)平滑的一个平滑步骤(E4)。

4.如权利要求1或2所述的控制方法，其中，该马达推进单元是一辆电动或混合动力车辆的一个马达推进单元，该马达推进单元具有通过四分之一转的转动的固有特征呈现的不变性。

5.一种用于对包括配备有一个永磁体转子(R)和一个定子的电马达的马达推进单元进行控制的系统，所述系统包括用于调节定子的电流(Id，Iq)从而使得该待调节的电流借助于该电马达的多个控制信号(Vd，Vq)而到达多个设定点电流值(Idref，Iqref)的调节装置，待调节的电流(Id，Iq)和所述控制信号(Vd，Vq)是在包括多条轴线(d，q)的一个转动参考坐标系中表达的，

其特征在于，所述调节装置针对所述多条轴线中的每一条轴线(d，q)都包括将一个线性算子(OP1D，OP2D，OP1Q，OP2Q)应用到所述轴线上的该待调节的电流(Id，Iq)上的应用装置(MAPP)，该线性算子根据所述待调节的电流(Id，Iq)的值相对于其设定点电流值(Idref，Iqref)而不同，所述应用所述线性算子的应用装置在所述轴线上提供了一个控制信号(Vd，Vq)的值，

其中所述线性算子(OP1D，OP2D，OP1Q，OP2Q)包括：

-一个第一项，其根据所述待调节的电流(Id，Iq)的值相对于其设定点电流值(Idref，Iqref)而使得在所述轴线上估计的一个控制信号(Vd，Vq)的一个零阶分量根据所述待调节的电流(Id，Iq)、所述转子的速度(ω_r)、以及用于估计所述马达推进单元的特征的值范围的极限值(R_smin，R_smax，L_smin，L_smax，Φ_fmin，Φ_fmax)而最小化或最大化，

-以及一个第二项，其与在所述轴线(d，q)上使用一个收敛因子(λ_d，λ_q)调节的所述待调节的电流(Id，Iq)成比例。

6.如权利要求5所述的用于控制马达推进单元的系统，其特征在于，所述值范围包括从包括以下内容的组中选择的至少两个估计值：

-对该定子的等效电阻(R_s)的一个估计值，

-对该马达推进单元在所述轴线(d，q)之一上的一个电感(L_s)的一个估计值，

-对该永磁体转子(R)的永磁体产生的一个磁通量(Φ_f)的一个估计值。

7.如权利要求6所述的用于控制马达推进单元的系统，其特征在于，其还包括一旦所述轴线(d，q)之一上的该待调节的电流(Id，Iq)与其设定点电流值(Idref，Iqref)之间的差的绝对值低于一个预先确定的阈值(ε_d，ε_q)就在所述轴线上使得该控制信号(Vd，Vq)平滑的平滑装置(MLIS)。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被一个或多个处理器运行时实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。