CN104704738A

CN104704738A - 用于电动马达的场定向控制的马达控制器和方法

Info

Publication number: CN104704738A
Application number: CN201380053369.2A
Authority: CN
Inventors: T.鲍曼
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-10-04
Also published as: WO2014056799A3; US20150295527A1; US9843280B2; WO2014056799A2; DE102012218612A1; CN104704738B

Abstract

本发明涉及一种用于驱动车辆的电动马达的场定向控制的马达控制器和方法。所述马达控制器包括设定点电流值形成单元（1），其设计成接收设定点转矩值（T）作为输入信号，并且输出形成转矩的设定点电流值（I_q）和至少一个形成场的设定点电流值（I_d）作为输出信号，以便基于场定向来控制电动马达。例外情况识别装置（4）获取当前的设定点转矩值，该例外情况识别装置基于当前的设定点转矩值和较早的设定点转矩值来计算变化，并且如果所述变化的绝对值超过预先规定的阈值时识别这一例外情况。当识别出所述例外情况时，所述马达控制器设计成基于当前的设定点转矩值（T）通过从旁路绕过设定点电流值形成单元（1）来调整形成转矩的设定点电流值。

Description

用于电动马达的场定向控制的马达控制器和方法

技术领域

本发明涉及一种用于驱动车辆的电动马达的场定向控制的马达控制器和相应的方法。

背景技术

针对现代机动车的驱动装置越来越多地将电动机器用作唯一的驱动装置或与另一类型的驱动装置协同使用（混合驱动）。通常借助动力电子装置来致动电动机器，其包括逆变器，该逆变器取用来自机动车的车载高压电池的直流电压，并产生交变电流。这样的逆变器经常基于场定向来控制。这样的控制还称作矢量控制。在这里能够规定的是，使空间矢量（例如电流矢量）运动，该空间矢量与电动机器的驱动轴一起旋转。换言之，这将用于对电动机器进行致动的相电流转化成相对于转子固定且与机器的磁场共同旋转的坐标系。这样的坐标系经常称为dq系统。在场定向的控制中，于是以这种方式转换的电流分量I_d和I_q取代相电流而被控制。在此情形中，I_q还可称作形成转矩的设定点电流值，并且I_d还可称作形成场的设定点电流值。在他励式同步机器的情形中，还可使用另外的形成场的设定点电流值（I_e）。

例如，在DE 10 2010 061 897 A1中公开一种场定向致动方法。

在场定向控制系统的情形中，通常采用设定点电流值形成单元。其接收设定点转矩值作为输入信号。所述设定点转矩值最终由驾驶员借助于加速器指定，所述加速器的位置被感测并被转化成设定点转矩值。在这种情况中考虑可能的最大值和最大梯度，以防止电动马达上的过载或振动。

马达控制器必须实现设定点转矩值。为此，所述马达控制器计算形成转矩的设定点电流值和至少一个形成场的设定点电流值，以便基于场定向来控制电动马达。形成转矩的设定点电流值和至少一个形成场的设定点电流值通常如此地彼此相互协作，从而得到优化的工作点，在所述工作点处，电能尽可能高效地转化成机械能。为此，设定点电流值形成单元要么可以具有对各个工作点的在线优化，即每次重新计算工作点，要么可以通过存储的表或公式来离线查询优化的工作点。在此情形中，针对所述两种方法的计算复杂性是不可忽略的，由此所述计算相对于场定向控制的速度被比较缓慢地执行。针对正常的运行状态，例如加速和制动，计算速度完全足够，然而，尤其需要在设定点转矩值特性处避免突然的改变，以避免传动系中的屈曲，其被悬挂以使得能够振动。

根据现有技术，本发明的一个目的是规定一种用于驱动车辆的电动马达的场定向控制的马达控制器和一种用于场定向控制的相关方法，所述马达控制器在至少一个方面上作出改进。

根据本发明通过专利的独立权利要求的主题实现这些目的。专利的从属权利要求具体描述本发明的实施例。

发明内容

因此，本发明包括一种用于驱动车辆的电动马达的场定向控制的马达控制器，其具有设定点电流值形成单元，其接收设定点转矩值作为输入信号，并且输出形成转矩的设定点电流值或至少一个形成场的设定点电流值作为输出信号，以便基于场定向来控制电动马达。根据本发明的马达控制器包括例外情况识别装置，该例外情况识别装置用于获取当前的设定点转矩值、基于当前的设定点转矩值和较早的设定点转矩值来计算变化、并且当所述变化的绝对值超过指定的阈值时识别这一例外情况。例如，例外情况识别可以计时，其中于是较早的设定点转矩值例如对应于在当前时序之前的时序的当前的设定点转矩值。根据本发明，当识别出所述例外情况时，马达控制器可设定成基于当前的设定点转矩值，通过从旁路绕过设定点电流值形成单元来调整形成转矩的设定点电流值。

以此方式电动马达可非常动态地受到控制，因为优化的工作点的缓慢的计算由设定点电流值形成单元绕过。特别有利于防抱死系统（ABS）或电子稳定程序（ESP）的干预。

APS和ESP对动态控制提出非常大的需求，因为它们典型地突然降低转矩需求，并且在短时间后再次使之自由。因此，设定点转矩值在短时间内由ABS和ESP所减小，并且然后再次增加至原始值。如果这样的干预经由设定点电流值形成单元进行，则转矩的减小和后续的再增大均会变慢。在此情形中，由设定点电流值形成单元带来的重建转矩的延迟可例如由异步机器中延迟的流积累、由在他励式同步机器中的延迟的激励电流积累和由所有机器类型中用于电流积累的有限的电压储存而带来。如果设定点电流值形成单元被从旁路绕过，那么虽然不能正常地建立最优的工作点，但是电动马达的特别动态控制是可能的。

在此情形中，基于当前的（捕获的）设定点转矩值和较早的（捕获的）设定点转矩值的变化可例如为在当前的设定点转矩值和较早的设定点转矩值之间的差。可替代地，基于当前的设定点转矩值和较早的设定点转矩值的变化也可能指的是设定点转矩值的函数关于时间的一阶导数。所述变化还可具体描述为例如百分比或每单位时间。在此情形中，所述差于是会例如与现在的或较早的设定点转矩值相互关联，或者与在接收较早的设定点转矩值和接收当前的设定点转矩值之间已经经过的时间相互关联。

在一个实施例中，根据本发明的马达控制器包括设定点转矩值保持装置，其用于在例外情况识别装置没有识别例外情况的时候将当前的设定点转矩值提供至设定点电流值形成单元作为输入信号，并且用于在例外情况识别装置识别出例外情况的时候将经冻结的设定点转矩值提供至设定点电流值形成单元作为输入信号，其中，经冻结的设定点转矩值预置在较早的设定点转矩值。

因此，设定点转矩值保持装置使得在例外情况中设定点电流值形成单元的状态被保持稳定。这尤其还避免了形成场的电流的变化。

在此情形中，设定点转矩值保持装置可设定成在时间进程内将经冻结的设定点转矩值保持不变，或者基于当前的设定点转矩值来将它调整。例如，对此可设想的是，将所述经冻结的设定点转矩值允许以类似斜坡或类似滤波的方式缓慢地遵循当前的设定点转矩值。

优选地，例外情况识别装置设定成在当前的设定点转矩值位于围绕经冻结的设定点转矩值的公差范围内时，识别出不再存在例外情况。例如，可假定的是，在当前的设定点转矩值低于经冻结的设定点转矩值和下公差阈值的乘积或高于经冻结的设定点转矩值和上公差阈值的乘积时，不再存在例外情况。例如，下公差阈值可例如为99%、98%、95%或90%。相应地，上公差阈值可位于例如为101%、102%、105%或110%。以所述方式，所述例外情况识别装置可识别出ABS或ESP已经终止其干预。

在一个实施例中，根据本发明的马达控制器包括比例计算装置，用于计算经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例。此外，它可包括调整装置，用于利用经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例将由设定点电流值形成单元输出的形成转矩的设定点电流值进行调整。

这使得能够将设定点电流值形成单元的状态保持不变，由此由设定点电流值形成单元输出的形成转矩的设定点电流值保持稳定。所述稳定的形成转矩的设定点电流值然后在设定点电流值形成单元的外侧进行调整，以适合于经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例。

此外，本发明包括一种借助于马达控制器的电动马达的场定向控制的方法，所述电动马达用于驱动车辆，所述马达控制器具有设定点电流值形成单元，所述设定点电流值形成单元设定成接收设定点转矩值作为输入信号，并且输出形成转矩的设定点电流值和至少一个形成场的设定点电流值作为输出信号，以便基于场定向来控制电动马达。根据本发明的方法可包括下列步骤。获取当前的设定点转矩值，并且基于当前的设定点转矩值和较早的设定点转矩值来计算变化。在所述变化的绝对值超过指定的阈值时识别出例外情况。在识别出例外情况时，基于当前的设定点转矩值并通过从旁路绕过设定点电流值形成单元来调整形成转矩的设定点电流值。这使得电动马达的特别动态的场定向控制成为可能。

在一个实施例中，根据本发明的方法包括以下步骤：在例外情况没有被识别时将当前的设定点转矩值提供至设定点电流值形成单元作为输入信号，以及在例外情况被识别出时将经冻结的设定点转矩值提供至设定点电流值形成单元作为输入信号，其中，经冻结的设定点转矩值预置在较早的设定点转矩值。该经冻结的设定点转矩值在另外的控制进程中可保持不变，或者基于当前的设定点转矩值来调整。

优选地，根据本发明的方法另外包括识别的步骤，即在当前的设定点转矩值位于围绕经冻结的设定点转矩值的公差范围内时，识别出不再存在例外情况。

在一个实施例中，通过从旁路绕过设定点电流值形成单元来调整形成转矩的设定点电流值的步骤包括计算在经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例的步骤。此外，此调整步骤可包括利用在经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例来调整由设定点电流值形成单元输出的形成转矩的设定点电流值的步骤。

本发明已经参考马达控制器和控制方法而示出。除非另有指出，关于马达控制器的解释类似地涉及根据本发明的方法，并且关于所述方法的解释相应地涉及根据本发明的马达控制器。

附图说明

参考附图在下文中更具体地说明本发明的实施例的进一步细节和优点，在附图中：

图1示出根据现有技术的马达控制器；

图2示出根据本发明的实施例的马达控制器；

图3a示出设定点转矩值随着时间的可能的特性；

图3b示出在经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例随着时间的可能的特性；

图4示出根据本发明的方法的第一实施例；并且

图5示出根据本发明的方法的第二实施例。

具体实施方式

除非另有指出，在下文中，相同的且具有相同作用的要素由相同的附图标记指代。

图1示出根据现有技术的场定向控制。该控制包括设定点电流值形成单元1。后者接收设定点转矩值T作为输入信号，并且输出形成转矩的设定点电流值I_q和形成场的设定点电流值I_d作为输出信号。在他励式同步机器的情况中，另外地使用形成场的设定点电流值I_e。形成转矩的设定点电流值I_q和形成场的设定点电流值I_d传递至场定向控制装置2，其相应地控制电动马达。

在这种情形中，设定点电流值形成单元1比较缓慢地执行它的计算。形成转矩的设定点电流值I_q和形成场的设定点电流值I_d的通常的计算时间可例如为10毫秒。与此相反，场定向控制装置2相对较快地计算所述控制值，例如在100微秒内。

图2示出根据本发明的用于驱动车辆的电动马达的场定向控制的马达控制器的实施例。所述马达控制器还是包括设定点电流值形成单元1和场定向控制装置2，所述设定点电流值形成单元输出形成转矩的设定点电流值I_q和形成场的设定点电流值I_d，设定点转矩值T不由设定点电流值形成单元1直接地获得，然而却是经由设定点转矩值保持装置3获得。该设定点转矩值保持装置3被连接至例外情况识别装置4，其设定成获取当前的设定点转矩值T并且基于当前的设定点转矩值和较早的设定点转矩值来计算变化。当变化的数值超过指定的阈值时，例外情况识别装置4识别例外情况，该例外情况被报告至设定点转矩值保持装置3。当没有获得例外情况时，设定点转矩值保持装置3将当前的设定点转矩值T提供至设定点电流值形成单元1。在例外情况的情形中，设定点转矩值保持装置3使设定点转矩值冻结并且将经冻结的设定点转矩值作为输入信号提供至设定点电流值形成单元。经冻结的设定点转矩值T'能在接下来的几个循环上要么保持不变要么基于当前的设定点转矩值T来调整。例如，经冻结的设定点转矩值能够以类似斜坡或类似滤波的方式遵循当前的设定点转矩值。

经冻结的设定点转矩值不仅送至设定点电流值形成单元1而且另外还送至例外情况识别装置4，以便后者可识别出，在当前的设定点转矩值T位于围绕经冻结的设定点转矩值T'的公差范围内时，不再获得例外情况。

根据本发明的马达控制器的所示出的实施例另外地包括比例计算装置5，该比例计算装置接收设定点转矩值T和经冻结的设定点转矩值T'，并且从该处计算经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例T_ratio。相应的比例T_ratio从比例计算装置5送至调整装置6，其基于经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例来调整由设定点电流值形成单元1输出的形成转矩的设定点电流值I_q。从而得出了经调整的形成转矩的设定点电流值I_q'，其送至所述场定向控制装置2。

如果不获得例外情况，则由此得出下列关系：

T' = T

T_ratio = 1

I_q' = I_q

在例外情况的情形中，适用：

T'是不变的或缓慢地遵循当前的设定点转矩值。

T_ratio = T/T'

I_q' = I_q * T_ratio

在图2中说明了三个区域D1、D2和D3。在区域D2中进行比较缓慢的计算。在区域D1和D3中，计算进行得比较快，这意味着通过从旁路绕过区域D2使形成转矩的设定点电流值I_q'的非常动态的调整成为可能。

图3a示出设定点转矩值T随时间变化的可能的特性。因此，在纵坐标轴7上绘出设定点转矩值T并且在横坐标轴8上绘出时间。在时刻t1，例如ABS干预进来，并且极大地减小了设定点转矩值T。例外情况识别装置4识别例外情况，并且使设定点转矩值冻结。经冻结的设定点转矩值T'以虚线示出，并且缓慢地遵循当前的设定点转矩值。在时刻t2，ABS终止它的干预，并且相应地再次使设定点转矩值自由，以便使所述的设定点转矩值大致达到所述干预之前的水平。

图3b示出针对图3a中示出的情况的在经冻结的设定点转矩值T'和当前的设定点转矩值之间的比例T_ratio。由此，在纵坐标轴9上绘出比例T_ratio，并且在横坐标轴10上绘出时间。在t1之前，比例T_ratio计为1。在时刻t1，该比例T_ratio明显地下降并且在t2时刻比1大一些，因为经冻结的设定点转矩值T'稍微遵循当前的设定点转矩值T，并且当前的设定点转矩值T这时大约处于ABS干预之前它所具有的水平。

图4示出根据本发明的借助于马达控制器的用于驱动车辆的电动马达的场定向控制的方法的第一实施例，所述马达控制器具有设定点电流值形成单元，所述设定点电流值形成单元设定成接收设定点转矩值T作为输入信号，并且输出形成转矩的设定点电流值I_q和至少一个形成场的设定点电流值I_d作为输出信号，以便基于场定向来控制电动马达。根据本发明的方法的示出的第一实施形式包括下列步骤：在步骤S1中，获取当前的设定点转矩值T。在步骤S2中，基于当前的设定点转矩值T和较早的设定点转矩值来计算变化。例如，所述方法可以按计时的方式进行。通过这样的计时方式，于是较早的设定点转矩值会对应于例如上一时序的当前的设定点转矩值。在步骤S3中，在所述变化的绝对值超过指定的阈值时识别出例外情况。由此，可例如识别出ABS或ESP的干预。在步骤4中，倘若在步骤S3中已经识别出例外情况，则取决于当前的设定点转矩值，通过从旁路绕过设定点电流值形成单元来调整形成转矩的设定点电流值。

图5示出根据本发明的借助于马达控制器的用于驱动车辆的电动马达的场定向控制的方法的第二实施例，所述马达控制器具有设定点电流值形成单元。在此情形中，所述设定点电流值形成单元设定成接收设定点转矩值作为输入信号，并且输出形成转矩的设定点电流值和至少一个形成场的设定点电流值作为输出信号，以便基于场定向来控制电动马达。在步骤S5中，获取当前的设定点转矩值。基于当前的设定点转矩值和较早的设定点转矩值，在步骤S6中计算变化。在步骤S7中检测的是，所述变化的绝对值是否超过指定的阈值。如果不是这种情况，则该方法转移至步骤S8，并且当前的设定点转矩值被提供至设定点电流值形成单元作为输入信号。所述方法然后返回步骤S5。

如果在步骤S7中识别出所述变化的绝对值超过指定的阈值，则例外情况被识别，并且所述方法转移至步骤S9，其中以较早的设定点转矩值来预置经冻结的设定点转矩值。在步骤S10中，该经冻结的设定点转矩值被提供至设定点电流值形成单元作为输入信号。

在步骤S11中，计算经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例，并且在步骤S12中基于经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例来调整由设定点电流值形成单元输出的形成转矩的设定点电流值。然后在步骤S13中再次获取当前的设定点转矩值。

在步骤S14中检查的是，当前的设定点转矩值是否大于或等于经冻结的设定点转矩值和下公差阈值的乘积。如果当前的设定点转矩值同时小于或等于经冻结的设定点转矩值和上公差阈值的乘积，则假定不再存在例外情况。在此情形中，所述方法转移至步骤S8。否则，所述方法返回至步骤S10。所采用的下公差阈值可例如为99%、98%、95%或90%。相应地，上公差阈值可例如为101%、102%、105%或110%。

参考附图所提供的说明意图理解成仅为示例性的且非限制性的。在不偏离如所附的权利要求书中所确定的本发明的保护范围的前提下，可以对所示出的实施例做出各种改变。

参考标记列表

1 设定点电流值形成单元

2 场定向控制装置

3 设定点转矩值保持装置

4 例外情况识别装置

5 比例计算装置

6 调整装置

7 纵坐标轴，在其上绘出设定点转矩值T

8 横坐标轴，用于代表时间

9 纵坐标轴，在其上绘出比例T_ratio

10 横坐标轴，用于代表时间

I_q 形成转矩的设定点电流值

I_q' 经调整的形成转矩的设定点电流值

I_d 形成场的设定点电流值

T 设定点转矩值

T' 经冻结的设定点转矩值

t1 时刻1

t2 时刻2

T_ratio 经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例

D1 具有快速计算的区域

D2 具有慢速计算的区域

D3 具有快速计算的区域

S1 获取当前的设定点转矩值

S2 计算变化

S3 在所述变化的绝对值超过指定的阈值时识别出例外情况

S4 当识别出例外情况时，取决于当前的设定点转矩值通过从旁路绕过设定点电流值形成单元来调整形成转矩的设定点电流值

S5 获取当前的设定点转矩值

S6 计算变化

S7 绝对值的变化大于指定的阈值？

S8 将当前的设定点转矩值提供至设定点电流值形成单元作为输入信号

S9 由较早的设定点转矩值预置经冻结的设定点转矩值

S10 将当前的设定点转矩值提供至设定点电流值形成单元作为输入信号

S11 计算经冻结的设定点转矩值和当前的设定点转矩值之间的比例

S12 通过经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例来调整由设定点电流值形成单元输出的形成转矩的设定点电流值

S13 获取当前的设定点转矩值

S14 经冻结的设定点转矩值*下公差阈值 ≤ 当前的设定点转矩值 ≤ 经冻结的设定点转矩值*上公差阈值？

Claims

1. 一种用于电动马达的场定向控制的马达控制器，所述电动马达用于驱动车辆，所述马达控制器具有：

－设定点电流值形成单元（1），其设定成接收设定点转矩值（T）作为输入信号，并且输出形成转矩的设定点电流值（I_q）和至少一个形成场的设定点电流值（I_d）作为输出信号，以便基于场定向来控制所述电动马达，以及

－例外情况识别装置（4），其用于获取当前的设定点转矩值、基于所述当前的设定点转矩值和较早的设定点转矩值来计算变化、并且当所述变化的绝对值超过指定的阈值时识别例外情况，

－其中，当识别出所述例外情况时，所述马达控制器设定成基于所述当前的设定点转矩值（T）通过从旁路绕过所述设定点电流值形成单元（1）来调整所述形成转矩的设定点电流值。

2. 如权利要求所述1的马达控制器，其具有设定点转矩值保持装置（3），用于在所述例外情况识别装置（4）没有识别例外情况时将所述当前的设定点转矩值（T）提供至所述设定点电流值形成单元（1）作为输入信号，并且用于在所述例外情况识别装置（4）识别出所述例外情况时将经冻结的设定点转矩值（T'）提供至所述设定点电流值形成单元（1）作为输入信号，其中，所述经冻结的设定点转矩值预置在所述较早的设定点转矩值。

3. 如权利要求2所述的马达控制器，其中，所述设定点转矩值保持装置（3）设定成将所述经冻结的设定点转矩值（T'）保持不变，或者基于所述当前的设定点转矩值调整所述经冻结的设定点转矩值（T'）。

4. 如权利要求所述2或3的马达控制器，其中，所述例外情况识别装置（4）设定成在所述当前的设定点转矩值（T）位于围绕所述经冻结的设定点转矩值（T'）的公差范围内时，识别出不再存在例外情况。

5. 如权利要求2至4中任一项所述的马达控制器，其具有用于计算在所述经冻结的（T'）和当前的（T）设定点转矩值之间的比例（T_ratio）的比例计算装置（5）。

6. 如权利要求5所述的马达控制器，其具有调整装置，用于利用所述经冻结的和当前的设定点转矩值之间的所述比例（T_ratio）来调整由所述设定点电流值形成单元（1）输出的所述形成转矩的设定点电流值（I_q）。

7. 一种借助于马达控制器的用于电动马达的场定向控制的方法，所述电动马达用于驱动车辆，所述马达控制器具有设定点电流值形成单元（1），所述设定点电流值形成单元设定成接收设定点转矩值（T）作为输入信号，并且输出形成转矩的设定点电流值（I_q）和至少一个形成场的设定点电流值（I_d）作为输出信号，以便基于场定向来控制所述电动马达，其中，所述方法包括以下步骤：

－获取当前的设定点转矩值（S1、S5、S13），

－基于所述当前的设定点转矩值和较早的设定点转矩值来计算变化（S2、S6），

－在所述变化的绝对值超过指定的阈值时识别出例外情况（S3、S7），以及

－在识别出所述例外情况时，基于所述当前的设定点转矩值通过从旁路绕过所述设定点电流值形成单元来调整所述形成转矩的设定点电流值（S4、S9－S12）。

8. 如权利要求7所述的方法，其具有以下步骤

－在例外情况识别没有被识别时将所述当前的设定点转矩值提供至所述设定点电流值形成单元（S8）作为输入信号，以及

－在例外情况识别被识别出时将经冻结的设定点转矩值提供至所述设定点电流值形成单元（S10）作为输入信号，其中，所述经冻结的设定点转矩值预置在所述较早的设定点转矩值（S9）。

9. 如权利要求8所述的方法，其中，通过从旁路绕过所述设定点电流值形成单元来调整所述形成转矩的设定点电流值的步骤包括计算在所述经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例的步骤（S11）。

10. 如权利要求9所述的方法，其中，通过从旁路绕过所述设定点电流值形成单元来调整所述形成转矩的设定点电流值的步骤包括通过在所述经冻结的和当前的设定点转矩值之间的比例调整由所述设定点电流值形成单元输出的所述形成转矩的设定点电流值的步骤（S12）。