CN104767448B - 用于电动三相变速电机的控制系统和方法 - Google Patents

用于电动三相变速电机的控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于电动三相变速电机的控制系统和方法。一种用于电动三相变速电机(12)的控制系统(11)，包括用于向该电机提供功率的逆变器(13)和用于控制该逆变器的控制装置(14)。该控制装置包括：d轴电流和q轴电流确定模块(16)；MTPA(每安培最大扭矩)控制模块(17b)；切换信号生成模块(18)；和精细调节模块(20)，其被配置为计算该电机的电流(|i|)或功率(P*)的幅值并且确定最优补偿比率数值(K(sc))，该最优补偿比率数值被添加至该比率数值以形成经调节比率数值(1+K(sc))，该经调节比率数值在被MTPA控制块所使用时将导致该电机在其中该电机的电流或功率的幅值被最小化的条件下进行操作，其中该经调节比率数值被该MTPA控制模块所使用。

Description

用于电动三相变速电机的控制系统和方法
技术领域
技术领域总体上涉及电动三相变速电机及其基于标量的控制。
背景技术
用于感应电机驱动的控制装置可以包括以开环模式实施恒定V/f控制的那些控制装置。通过在标量模式中整合MTPA(每安培最大扭矩)控制，这样的控制装置可能以有所提高的效率对电机驱动进行操作。MTPA控制是一种使用电流角度控制的基于模型的方法。通常，电机的定子电流被分解为等效的d和q轴电流并且随后对d轴电流基准进行控制，这使得电机的效率最大化。
图1是用于电三相变速电机12的控制系统11的示意图，其包括这样的用于控制逆变器13的基于标量的控制装置14，逆变器13向电机12提供功率。该控制系统还包括电流传感器15，其被配置为检测该电机的电流。该控制装置包括被配置为基于所检测的电流和基准相位θ*而确定d和q轴电流isd、isq的d和q轴电流确定模块16、低通滤波器块17a、MTPA控制块17b以及切换信号生成模块18。
电流传感器15可以被配置为检测三相电机12的三个电流ia、ib、ic中的两个ia、ib。d和q轴电流确定模块16在这样的情况下可以包括被配置为基于所检测的电流ia、ib确定三个电流ia、ib、ic的第一电流确定块16b以及被配置为基于这三个电流ia、ib、ic和基准相位θ*而确定d和q轴电流isd、isq的第二电流确定块16b。
q轴电流isq从d和q轴电流确定模块16输入到低通滤波器块17a并且在低通滤波器块17a中为了控制稳定性而进行低通滤波以形成基准q轴电流i*sq，其被输入到切换信号生成模块18。
d和q轴电流isd、isq被输入到MTPA控制块18，MTPA控制块18被配置为基于所确定的d和q轴电流isd、isq以及比率数值生成基准d轴电流i*sd而使得d和q轴电流的比率等于该比率数值，其中该比率数值被设置为单位值(unity)。
切换信号生成模块18被配置为生成PWM调制切换信号以基于基准d和q轴电流i*sd,i*sq来控制逆变器13。切换信号生成模块18包括基准d和q轴电流i*sd,i*sq和基准速度ω*输入至其的第一块18a。第一块18a被配置为根据基准d和q轴电流i*sd,i*sq确定基准d和q轴电压u*sd、u*sq。这些电压被输入至第二块18b，后者被配置为基于d和q轴电压u*sd、u*sq和基准相位θ*重复生成电压矢量u*sa,u*sb,u*sc。该电压矢量在第三块18c中进行PWM调制以形成PWM调制切换信号Sa、S、Sc，并且该PWM调制切换信号Sa,Sb,Sc被输入至逆变器13。
d和q轴电流确定模块16的第二电流确定块16b以及切换信号生成模块18的第二块18b可以使用dq-abc变换来实施。积分器块19被配置为对基准速度ω*＝2πf*进行积分，由此通过对ω*进行连续积分而形成基准相位θ*，其被输入到d和q轴电流确定模块16的第二电流确定块16b以及切换信号生成模块18的第二块18b。
以上所公开的基于模型的MTPA控制方法在感应电机磁通量被假设为磁化电流的线性函数(恒定磁化感应)的情况下正常工作。实际上，由于电机磁通量的饱和特性并非如此。在部分速度和/或低磁通量水平，由于电机通量在该操作条件并未饱和所以性能是最优的。但是在标称速度或者当电机电压接近标称数值时，由于磁化感应饱和效应，如以上所描述的MTPA控制方法不会带来最优的电流操作。
发明内容
本公开的目标是提供一种用于电动三相变速电机的控制系统和控制方法，其基于MTPA控制方法但是能够在不考虑操作速度或电极电压的情况下保持最优电流操作。
第一方面涉及一种用于具有定子和转子的电动三相变速电机的控制系统，其中该控制系统包括用于向该电机提供功率的逆变器、用于控制该逆变器的基于标量的控制装置和用于测量电机电流的电流传感器。该控制装置包括d和q轴电流确定模块、滤波器块、MTPA控制块、切换信号生成模块和精细调节模块。
该电流传感器被配置为反复检测电机的电流，并且该d和q轴电流确定模块被配置为基于所检测的电流反复确定d和q轴电流。该滤波器块被配置为对所确定的q轴电流进行反复滤波由此生成基准q轴电流，并且该MTPA控制块被配置为基于该d和q轴电流和比率数值反复生成基准d轴电流，而使得d和q轴电流的比率等于该比率数值，其中该比率数值为单位值。该切换信号生成模块被配置为基于该基准d和q轴电流反复生成切换信号以控制该逆变器。
在一些时刻，例如当满足特定操作条件时，该精细调节模块被配置为计算该电机的电流或功率的幅值(例如，基于所感应的电机参数)并且基于该电机的电流或功率的幅值确定补偿比率值，该补偿比率数值被添加至该比率数值以形成经调节比率数值，该经调节比率数值在被MTPA控制模块所使用时将导致该电机在其中该电机的电流或功率的幅值得以被最小化的条件下进行操作。
最后，该MTPA控制模块被配置为基于d和q轴电流和经调节比率数值反复生成经调节的基准d轴电流而使得d和q轴电流的比率等于经调节比率数值，并且该切换信号生成模块被配置为基于经调节的基准d轴电流和基准q轴电流反复生成切换信号以控制该逆变器。
由此获得了一种控制系统，其能够在饱和条件下使用标量MTPA控制方法，并且在需要时—例如在饱和条件或接近饱和的条件下—增加所提出的精细调节。应当意识到的是，该控制系统特别适用于没有电动三相变速电机的机器参数的先验知识的情形。在非饱和条件(例如，没有或部分负载和/或以较低速度操作的情况)下，即使应用该精细调节也不会导致MTPA控制有所改进因此可以不作要求。
该精细调节模块可以被配置为基于扰和乱观察原则以迭代算法来确定最优补偿比率数值。也就是说，阶跃干扰信号被注入到控制变量之后总并且对所控制变量中的响应—即符号和振幅—进行监视。生成补偿信号而使得所控制的变量被移动至所控制变量的振幅处于其最小值(或最大值)的最优点。这种类型的控制适用于在控制变量贯穿其范围发生变化时固有地表现出最小值点(或最大值点)的系统。基于MTPA的控制是针对这样的控制的完美匹配，因为电流变化(或效率变化)表现出电机通量变化的最小点。
在一个实施例中，该精细调节模块可以被配置为通过执行以下算法来确定最优补偿比率数值：
(i)开启及关闭被添加至比率数值的扰动信号以形成如下信号，基于该信号MTPA控制块被配置为反复生成基准d轴电流，该切换信号生成模块被配置为进而以该基准d轴电流为基础反复生成切换信号以控制该逆变器，
(ii)确定在扰动信号开启时电机的电流或功率的幅值(即，基于所感应的电机参数所确定)与在扰动信号关闭时电机的电流或功率的幅值之间的差异，以及
(iii)累积地将补偿比率数值添加至MTPA控制块被配置为以其为基础反复生成基准d轴电流的信号，其中该补偿比率数值根据该差异进行确定，其中对(i)至(iii)进行重复直至该差异下降至低于阈值。
该精细调节模块可以被配置为在该差异下降至低于阈值水平时关闭该扰动信号，并且获得作为累积增加的补偿比率数值的最优补偿比率数值。
第二方面涉及一种用于具有定子和转子的电动三相变速电机的控制系统，其中该控制系统包括用于向该电机提供功率的逆变器，用于控制该逆变器的基于标量的控制装置，和用于测量电机中的电流的电流传感器。该控制装置包括d和q轴电流确定模块、滤波器块、MTPA控制块、切换信号生成模块和精细调节模块。
该电流传感器被配置为反复检测电机的电流，并且该d和q轴电流确定模块被配置为基于所检测的电流反复确定d和q轴电流；该滤波器模块被配置为对所确定的q轴电流进行反复滤波由此生成基准q轴电流，并且该MTPA控制块被配置为基于该d和q轴电流和比率数值反复生成基准d轴电流而使得d和q轴电流的比率等于该比率数值，其中该比率数值为单位值。该切换信号生成模块被配置为基于该基准d和q轴电流反复生成切换信号以控制该逆变器。
该精细调节模块被配置为计算该电机的电流或功率的幅值(例如，基于所感应的电机参数)，并且基于该电机的电流或功率的所计算的幅值确定最优补偿电流。该最优补偿电流被添加至基准d轴电流以形成经调节的d轴电流，该经调节的d轴电流在被该切换信号生成模块所使用时将导致该电机在其中该电机的电流或功率的幅值得以被最小化的条件下进行操作，其中该切换信号生成模块被配置为基于该经调节的基准d轴电流和基准q轴电流反复生成切换信号以控制该逆变器。
在这方面，MTPA控制模块所使用的比率数值并未被精细调谐，而是通过向从MTPA块所输出的基准d轴电流增加补偿电流而对从MTPA控制块所输出的基准电流进行精细调谐，并且利用该和值作为基准d轴电流对切换信号生成模块进行馈送。
以类似于关于第一方面所公开的方式，该精细调节模块可以被配置为基于扰动和观察原则以迭代算法来确定最优补偿电流。
在一个实施例中，该精细调节模块被配置为在来自MTPA控制块的输出基准d轴电流被保持锁存的同时执行以下算法来确定最优补偿电流：
(i)开启及关闭被添加至基准d轴电流的扰动电流信号以形成该切换信号生成模块被配置为以其为基础反复生成切换信号以控制该逆变器的信号，
(ii)确定在扰动信号开启时电机的电流或功率的幅值(即，基于所感应的电机参数所确定)与在扰动信号关闭时电机电流或功率的幅值之间的差异，以及
(iii)累积地将补偿电流添加至该切换信号生成模块被配置为以其为基础反复生成切换信号以控制该逆变器的信号，其中该补偿电流根据该差异进行确定，其中对(i)至(iii)进行重复直至该差异下降至低于阈值。
该精细调节模块可以被配置为在该差异下降至低于阈值水平时关闭该扰动信号并且获得作为累积增加的补偿电流的最优补偿电流。
该电机的电流或功率的幅值可以是该电机的电流的幅值，并且被计算为所确定的d和q轴电流的均方根或者根据所检测的电流进行计算。
可替换地，该电机的电流或功率的幅值可以是该电机的估计功率的幅值，并且可以基于以基准d和q轴电流计算的基准电压以及(ii)所确定的d和q轴电流或所检测电流进行计算。
再可替换地，该电机的电流或功率的幅值是该电机的功率的幅值并且基于所检测的该电机的电压和电流进行计算。
该控制系统可以被配置为对感应电机的定子进行供电，并且该电流传感器可以被配置为反复检测该电机的定子电流。
该精细调节模块可以被配置为以饱和通量操作条件进行操作。
该精细调节可以在检测到电机的操作条件(例如由于电机的扭矩和/或速度的瞬态阶跃而发生变化时)进行重置或取消，并且该精细调节可以在已经检测到电机的稳定状态时再次被执行或激活。
第三方面涉及一种用于具有定子和转子的电动三相变速电机的控制方法，其中该控制方法包括以下步骤：(i)反复接收所检测的电机的电流；(ii)基于所接收的电流反复确定d和q轴电流；(iii)反复对所确定的q轴电流进行滤波由此生成基准q轴电流；(iv)应用MTPA控制方案，其中基于所确定的d和q轴电流以及比率数值反复生成基准d轴电流而使得d和q轴电流的比率等于该比率数值，其中该比率数值是单位值；(v)基于该基准d和q轴电流反复生成切换信号以控制逆变器，其中该逆变器可操作以对该电机进行供电；(vi)通过计算该电机的电流或功率的幅值(例如，基于所感应的电机参数)并且基于所计算的该电机的电流或功率的幅值确定最优补偿比率而对该MTPA控制方案进行精细调节，该最优补偿比率被添加至该比率数值以形成经调节比率数值，该经调节比率数值在该MTPA控制方案中使用时将使得该电机以其中该电机的电流或功率的幅值得以被最小化的条件进行操作；(vii)应用该MTPA(每安培最大扭矩)控制方案以基于所确定的d和q轴电流和经调节比率数值生成经调节的基准d轴电流而使得d和q轴电流的比率等于该经调节比率数值；和(viii)基于经调节的基准d轴电流和基准q轴电流反复生成切换信号以控制该逆变器。
第四方面涉及一种用于具有定子和转子的电动三相变速电机的控制方法，其中该控制方法包括以下步骤：(i)反复接收所检测的电机的电流；(ii)基于所接收的电流反复确定d和q轴电流；(iii)反复对所确定的q轴电流进行滤波由此生成基准q轴电流；(iv)应用MTPA控制方案，其中基于所确定的d和q轴电流以及比率数值反复生成基准d轴电流而使得d和q轴电流的比率等于该比率数值，其中该比率数值是单位值；(v)基于该基准d和q轴电流反复生成切换信号以控制逆变器，其中该逆变器可操作以对该电机进行供电；(vi)通过计算该电机的电流或功率的幅值(例如，基于所感应的电机参数)并且基于所计算的该电机的电流或功率的幅值确定最优补偿电流而对该MTPA控制方案进行精细调节，该最优补偿电流被添加至该基准d轴电流以形成经调节的基准d轴电流，该经调节的基准d轴电流被用于生成切换信号时将使得该电机以其中该电机的电流或功率的幅值得以被最小化的条件进行操作；(vii)基于经调节的基准d轴电流和基准q轴电流反复生成切换信号以控制该逆变器。
第五方面涉及一种包括计算机程序代码的计算程序，当在数字控制器上运行时，其使得该数字控制器执行第三和第四方面中的任一个方面的方法。
第三至第五方面可以进行修改以公开如关于第一和第二方面所公开的任意另外的动作或特征。
第六方面涉及一种计算机程序产品，其包括第五方面的计算机程序以及该计算机程序存储于其上的计算机可读介质。
所提出的具有精细调节的基于MTPA的控制方法能够轻易地针对现有标量控制进行调适。在各种应用中，感应电机驱动在诸如暖通空调(HVAC)之类的较少动态的应用或者泵送应用中使用。该驱动经常利用固定磁化水平的标量控制模式进行操作，其中驱动效率并非最优，固定磁化水平甚至取决于其额定数值。在这样的应用中，所提出的具有精细调节的基于MTPA的控制方法将使得能够以最小电流或功率对这些驱动进行操作，因此提高了整体驱动系统的效率。
另外，所提出的基于MTPA的控制方法能够被设计为即使滑动补偿在标量控制模式中并未激活的情况下也并不导致被反映到电机电流和电机速度之中的扭矩振荡。
电机电流中大的波纹在电流波纹大于扰动信号注入所导致的阶跃变化的情况下将会形成实施问题，但是这能够通过对所检测的电机电流进行过滤并且允许有充分时间通过而得以解决从而使得电机能够稳定在所调节的操作点。
另外的特征和优势将由于随后给出的对实施例的详细描述以及仅作为图示给出的附图1-3而是显而易见的。
附图说明
图1是根据现有技术的用于电动三相变速电机的控制系统的示意图。
图2a是根据一个实施例的用于电动三相变速电机的控制系统的示意图，并且图2b是图2a的控制系统的一部分的示意图。
图3a是根据一个实施例的用于电动三相变速电机的控制系统的示意图，并且图3b是图3a的控制系统的一部分的示意图。
类似的附图标记在附图中始终指代类似的部分。
具体实施方式
图2a是根据一个实施例的用于电动三相变速电机12的控制系统11的示意图。电动三相变速电机12可以是如图2a所示的感应电机。控制系统11包括用于向电机12提供功率的逆变器13、用于控制逆变器13的基于标量的控制装置14、以及用于测量电机12中的电流的电流传感器15。逆变器13可以连接至电机12的定子。
控制装置14包括d轴电流和q电流确定模块16、滤波器块17a、MTPA(每安培最大扭矩)控制块17b、切换信号生成模块18和精细调节模块20。
电流传感器15被配置为反复检测电机12的电流—优选为定子电流，并且将所检测到的电流发送至d轴电流和q轴电流确定模块16。
d轴电流和q轴电流确定模块16被配置为基于所检测的电流和基准相位θ*反复确定d和q轴电流isd,isq。如果电流传感器15被配置为检测三相电机12的三个电流ia,ib,ic中的两个电流ia,ib，则d轴电流和q轴电流确定模块16可以包括被配置为基于所检测到的电流ia,ib确定这三个电流ia、ib、ic的第一电流确定块16b以及被配置为基于这三个电流ia、ib、ic和基准相位θ*确定d轴电流和q轴电流isd、isq的第二电流确定块16b。
q轴电流isq从d轴电流和q轴电流确定模块16输入到低通滤波器块17a并且在低通滤波器块17a中进行低通滤波以形成基准q轴电流i*sq，基准q轴电流i*sq被输入到切换信号生成模块18。
d轴电流和q轴电流isd、isq从d轴电流和q轴电流确定模块16输入至MTPA控制模块17，并且被配置为基于所确定的d轴电流和q轴电流isd、isq以及比率数值K生成基准d轴电流i*sd，而使得d轴电流和q轴电流的比率等于该比率数值，其中该比率数值被设置为单位值，即K＝1。这是忽略了电机磁化感应的饱和特性的MTPA控制方法。
切换信号生成模块18被配置为基于基准d轴电流和q轴电流i*sd,i*sq生成PWM调制切换信号以对逆变器13进行控制。切换信号生成模块18包括向其输入基准d轴电流和q轴电流i*sd,i*sq和基准频率ω*＝2πf*的第一块18a。块18a被配置为将基准d轴电流和q轴电流i*sd,i*sq转换为基准d轴电压和q轴电压u*sd,u*sq。这些电压被输入至第二块18b，第二块18b被配置为基于d轴电压和q轴电压u*sd,u*sq和基准相位θ*反复生成电压矢量u*sa,u*sb,u*sc。该电压矢量在第三块18c中进行PWM调制以形成PWM调制切换信号Sa,Sb,Sc，并且该PWM调制切换信号Sa,Sb,Sc被输入至逆变器13。
d轴电流和q轴电流确定模块16的第二电流确定块16b和切换信号生成模块18的第二块18b可以使用dq0变换来实施。积分器块19被配置为对基准速度ω* s＝2πf*进行积分，由此形成基准相位θ*，后者被输入到d轴电流和q轴电流确定模块16的第二电流确定块16b和切换信号生成模块18的第二块18b。
在一些操作条件下，例如饱和或接近饱和通量的操作条件，激活精细调节模块20。该精细调节模块包括用于计算电机12的电流|i|或功率P*的大小的块20a、用于确定最优补偿比率数值K(sc)的精细调节块20b、以及用于将最优补偿比率数值K(sc)添加至比率数值K以形成经调节的比率数值K+K(sc)＝1+K(sc)的块20c，当经调节的比率数值被MTPA控制模块所使用时将使得电机12在其中该电机的电流|i|或功率P*的幅值被最小化的条件下进行操作。经调节的比率数值K+K(sc)＝1+K(sc)随后被输入到MTPA控制块17b(而不是K＝1)。
作为其响应，MTPA控制块17b被配置为基于d和q轴电流isd,isq以及经调节的比率数值1+K(sc)生成经调节的基准d轴电流i*sd(adj)，而使得d轴电流和q轴电流i*sd,i*sq的比率等于经调节的比率数值1+K(sc)，并且切换信号生成模块18被配置为基于经调节的基准d轴电流i*sd(adj)和基准q轴电流i*sq反复生成切换信号以控制逆变器13。
如图2a所示，电机12的电流|i|或功率P*的幅值可以是被计算为所确定的d轴电流和q轴电流isd,isq的均方根的电流|i|的幅值。
可替换地，电流|i|或功率P*的幅值是电机12的估计功率P*的幅值，并且基于(a)例如由切换信号生成模块18的第一块18a基于基准d轴电流和q轴电流(i*sd,i*sq)所计算的基准电压；和(b)所确定的d轴电流和q轴电流(isd,isq)或所检测的电流(ia,ib)进行计算。
再可选地，电流|i|或功率P*的幅值是电机12的功率的d轴电流并且基于所检测的电机12的电压和电流进行计算。
在另外使用功率的情况下，块20a有所修改并且可以具有另外和/或不同的输入以便依据上文计算电机的功率。
精细调节模块20可以被配置为基于扰动观察原则以迭代算法来确定最优补偿比率数值K(sc)。这将在其中电流的大小被最小化的情况下在下文中参考图2b进行描述。在块20及其输入的较小幅修改之后，该方案可以针对功率的优化而类似地进行工作。
图2b是图2a的控制系统的一部分的示意图，其中更为详细地示出了精细调节模块20。精细调节块20b可以包括搜索信号生成块22和补偿信号生成块23。
当精细调节模块20被激活时，搜索信号生成区块22生成扰动或搜索信号K(搜索)。块20c将该搜索信号K(搜索)添加至原始比率数值K以形成扰动比率数值K+K(搜索)，其被输入至MTPA控制块17b。
MTPA控制区块17b基于所确定的d轴电流和q轴电流isd,isq以及扰动比率数值K+K(搜索)生成扰动基准d轴电流，而使得d轴电流和q轴电流的比率等于扰动比率数值K+K(搜索)。切换信号生成模块18基于扰动基准d轴电流和q轴电流生成切换信号以控制逆变器13。电流传感器15测量电机所产生的电流，并且d轴电流和q轴电流确定模块16基于所测量的产生电流确定d轴电流和q轴电流并将这些电流输出到MTPA控制块17b以及精细调节模块20的块20a，后者根据这些计算电机的电流|i|的幅值。所计算的幅值被输入到补偿信号生成块23，后者计算所计算的电机电流|i|的幅值在搜索信号K(搜索)开启时以及它被关闭时之间的差异。基于该差异，补偿比率数值K(comp)从补偿信号生成块23输出以便经由加法器在20c处添加至比率数值K，该加法器将搜索信号K(搜索)和补偿比率数值K(comp)进行相加。
重复以上过程直至实现收敛，即直至该差异下降至低于阈值水平。
搜索信号生成块22输出搜索信号K(搜索)，其因此例如以方波信号的形式被交替关闭和开启。
针对每次开启和关闭，例如在该方波信号的每个周期，补偿信号生成区块23比较所计算的电机电流|i|的幅值在搜索信号K(搜索)开启时以及它被关闭时之间的差异，并且确定被递增或累积添加至输出的补偿比率数值K(comp)。
该补偿比率数值K(comp)可以具有恒定大小或者可以取决于所计算的电机电流|i|的幅值在搜索信号K(搜索)开启时以及它被关闭时之间的差异。后一种选项在操作点更为远离最优点时导致了更快的收敛速度。
以这种方式，被输入到MTPA控制块17b的比率数值是K和K(sc)之和，其中K(sc)是累积相加的补偿比率数值K(comp)和搜索信号K(搜索)之和。假设搜索信号K(搜索)很小，从而通常需要多次迭代以实现收敛。
当该差异下降至低于该阈值水平，搜索信号K(搜索)被关闭，并且所产生的补偿比率数值K(comp)将等于K(sc)并且因此最优补偿比率数值被添加至比率数值(K＝1)以形成调节比率数值。
一旦获得该调节比率数值，其就在MTPA控制块17b中用于控制逆变器13直至能够预见到或者直至测量出操作条件已经以一些方式发生变化，例如直至速度或电机负载扭矩发生变化。
当操作点发生变化时(例如，扭矩和/或速度的瞬时阶跃)，最优补偿比率数值K(sc)被重置为例如零的缺省值，并且使用K的缺省值(即，K＝1)继续该瞬时状态。在达到稳定状态之后，发起以上基于搜索的补偿算法以确定最优补偿比率数值K(sc)的新数值。
图3a是根据一个实施例的用于电动三相变速电机的控制系统的示意图。图3a的实施例在以下方面与图2a的实施例有所不同。这里表示为30的精细调节模块包括用于计算电机的电流或功率的幅值的块30a、用于确定最优补偿电流isd(sc)的精细调节区块30b、以及用于将最优补偿电流isd(sc)添加至基准d轴电流以形成经调节的基准d轴电流i*sd(adj)的块30c，当该经调节的基准d轴电流i*sd(adj)被切换信号生成模块18用作基准d轴电流时将使得电机12在其中该电机的电流|i|或功率P*的幅值得以被最小化的条件下进行操作。经调节的基准d轴电流i*sd(adj)被输出到切换信号生成模块18(而不是来自MTPA控制模块的输出i*sd)。
切换信号生成模块18被配置为基于经调节的基准d轴电流i*sd(adj)和基准q轴电流i*sq反复生成切换信号以对逆变器13进行控制。
将要意识到的是，提供了锁存器30d以在精细调节模块30确定最优补偿电流isd(sc)的同时使得来自MTPA控制模块的输出i*sd被保持恒定。
图3b是图3a的控制系统的一部分的示意图，其中更为详细地示出了精细调节模块30。精细调节块30b可以包括搜索信号生成模块32和补偿信号生成模块33。以类似于以上参考图2b详细描述的方式，精细调节模块30可以被配置为基于扰动观察原则以迭代算法确定最优补偿电流。
然而，来自MTPA控制块17b的输出i*sd在用于找出最优补偿电流的迭代过程期间被锁存器30d保持恒定。否则，如果被留在操作之中，MTPA控制块17b将试图对来自精细调节模块30的附加基准信号输入的效果加以平衡。
如图2b中所指示的扰动电流isd(搜索)和补偿电流isd(comp)对应于如参考图2b所公开的扰动比率数值K(搜索)和比率数值K(comp)。
精细调节模块30因此被配置为通过在从MTPA控制块17b所输出的基准d轴电流被锁存器30d保持锁存的同时执行以下算法而确定最优补偿电路isd(comp)。
步骤1：被开启和关闭的扰动或搜索电流信号isd(搜索)从搜索信号生成块32输出并且在加法器30c处被添加至基准d轴电流i*sd以形成切换信号生成模块18被配置为以其为基础反复生成切换信号以控制逆变器13的信号。
步骤2：由块30a计算电机12的电流|i|在搜索信号isd(搜索)开启以及扰动信号isd(搜索)关闭时的幅值。
步骤3：在补偿信号生成模块33中确定在搜索信号isd(搜索)开启时电机12的电流|i|的幅值与在搜索信号isd(搜索)关闭时电机12的电流|i|的幅值之间的差异。
步骤4：补偿电流是根据以上差异所确定的Isd(comp)，并且被添加至之前所确定的补偿电流，如果其存在的话。补偿数值K(comp)可以具有恒定大小或者可以取决于所计算的电机12的电流|i|在搜索信号K(搜索)开启时以及其关闭时的幅值之间的差异。后一种选项在操作点更为远离最优点时导致了更快的收敛速度。
步骤5：递增或累积相加的补偿电流Isd(comp)被添加至切换信号生成模块18被配置为基于其反复生成切换信号以控制逆变器13的信号，或者更精确地，首先经由第一加法器被添加至搜索信号isd(搜索)，随后由加法器30c添加至基准d轴电流i*sd。
重复步骤1-5直至该差异下降而小于阈值水平，此时信号生成块32关闭扰动信号并且获得作为累积添加的补偿电流的最优补偿电流isd(sc)，其被加法器30c添加至基准d轴电流i*sd以形成经调节的基准d轴电流i*sd(adj)，当它被切换信号生成模块18所使用时将使得电机12在其中该电机的电流|i|或功率P*的幅值得以被最小化的条件下进行操作。
虽然以上在一个方面关于图2a-2b并且在另一方面关于图3a-eb所给出的信号注入和补偿的方案看上去非常相似并且使用相同的搜索信号注入和补偿的原则进行操作，但是它们在控制装置中引发搜索信号的方式存在着一些基本变化。
调制K的第一方案(图2a-b)并不向标量控制通量基准注入直接的阶跃扰动。MTPA控制模块具有确定的频率响应，并且因此K的阶跃变化不会导致通量基准的阶跃变化。在第二方案(图3a-b)中，除非对基准信号执行了一些滤波，否则针对基准d轴电流的直接阶跃输入会在反馈电流中导致尖峰。因此，适当的滤波是可行的。
这里所公开的控制装置已经被描述为一系列用于执行各种任务的模块和/或分块。这些模块和/或分块优选地被实施为在微处理器、数字控制装置或类似设备中执行以控制电机的软件。
本公开还涉及一种用于执行以上所公开的任务的方法以及用于执行该任务的计算机程序。
本领域技术人员将会意识到的是，以上所公开的实施例可以进行组合以形成落入权利要求范围之内的另外的实施例。

Claims (19)

1.一种用于具有定子和转子的电动三相变速电机(12)的控制系统(11)，所述控制系统包括用于向所述电机提供功率的逆变器(13)、用于控制所述逆变器的基于标量的控制装置(14)、和被配置为用于反复检测所述电机的电流的电流传感器(15)，其中所述控制装置包括：
-d轴电流和q轴电流确定模块(16)，其被配置为基于所检测的电流反复确定d轴电流和q轴电流(isd,isq)；
-滤波器块(17a)，其用于对所确定的所述q轴电流进行反复滤波由此生成基准q轴电流(i*sq)；
-MTPA(每安培最大扭矩)控制块(17b)，其用于基于所确定的所述d轴电流和搜索q轴电流(isd,isq)和比率数值反复生成基准d轴电流(i*sd)而使得所述d轴电流和所述q轴电流的比率等于所述比率数值，其中所述比率数值为单位值，以及
-切换信号生成模块(18)，其被配置为基于所述基准d轴电流和所述基准q轴电流(i*sd,i*sq)反复生成切换信号以控制所述逆变器，其特征在于：所述控制装置包括
-精细调节模块(20)，其被配置为计算所述电机的电流(|i|)或功率(P*)的幅值并且基于所计算的所述电机的电流或功率的幅值确定最优补偿比率数值(K(sc))，所述最优补偿比率数值被添加至所述比率数值以形成经调节比率数值(1+K(sc))，所述经调节比率数值在被所述MTPA控制块所使用时将使得所述电机操作在其中所述电机的电流或功率的幅值被最小化的状态中，其中
-所述MTPA控制块被配置为基于所确定的所述d轴电流和所述q轴电流(isd,isq)以及所述经调节的比率数值反复地生成经调节的基准d轴电流(i*sd(adj))，使得所述d轴电流和所述q轴电流的所述比率等于所述经调节的比率数值；以及
-所述切换信号生成模块被配置为基于所述经调节的基准d轴电流反复地生成切换信号以控制所述逆变器。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述精细调节模块被配置为基于扰动观察原则以迭代算法来确定所述最优补偿比率数值。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中所述精细调节模块被配置为通过执行以下算法来确定所述最优补偿比率数值：
(i)开启及关闭被添加至所述比率数值的扰动信号以形成所述MTPA控制模块被配置为以基于其反复生成基准d轴电流的信号，所述切换信号生成模块被配置为进而基于所述基准d轴电流反复生成切换信号以控制所述逆变器，
(ii)确定在所述扰动信号开启时所述电机的电流或功率的幅值与在所述扰动信号关闭时所述电机的电流或功率的幅值之间的差异，以及
(iii)累积地将补偿比率数值添加至所述信号，所述MTPA控制模块被配置为基于所述信号反复生成基准d轴电流的所述信号，其中所述补偿比率数值根据所述差异进行确定，其中重复(i)-(iii)直至所述差异下降至低于阈值水平。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其中所述精细调节模块(20)被配置为在所述差异下降至低于阈值水平时关闭所述扰动信号并且获得所述最优补偿比率数值作为累积地增加的所述补偿比率数值的。
5.一种用于具有定子和转子的电动三相变速电机(12)的控制系统(11)，所述控制系统包括用于向所述电机提供功率的逆变器(13)、用于控制所述逆变器的基于标量的控制装置(14)、和被配置为用于反复检测所述电机的电流的电流传感器(15)，其中所述控制装置包括：
-d轴电流和q轴电流确定模块(16)，其被配置为基于所检测的电流反复确定d轴电流和q轴电流(isd,isq)；
-滤波器块(17a)，其用于对所确定的所述q轴电流进行反复滤波由此生成基准q轴电流(i*sq)；
-MTPA(每安培最大扭矩)控制块(17b)，其用于基于所确定的所述d轴电流和所述q轴电流(isd,isq)和比率数值反复生成基准d轴电流(i*sd)而使得所述d轴电流和所述q轴电流的比率等于所述比率数值，其中所述比率数值为单位值，以及
-切换信号生成模块(18)，其被配置为基于所述基准d轴电流和所述基准q轴电流(i*sd,i*sq)反复生成切换信号以控制所述逆变器，其特征在于：所述控制装置包括
-精细调节模块(30)，其被配置为计算所述电机的电流(|i|)或功率(P*)的幅值并且确定最优补偿电流(i sd(sc))，所述最优补偿电流被添加至所述基准d轴电流以形成经调节的基准d轴电流(i*sd(adj))，所述经调节的基准d轴电流在被所述切换信号生成模块所使用时将使得所述电机操作在其中所述电机的电流或功率的幅值得以被最小化的状态中，其中
-所述切换信号生成模块被配置为基于所述经调节的基准d轴电流反复生成切换信号以控制所述逆变器。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其中所述精细调节模块被配置为基于扰动观察原则以迭代算法来确定所述最优补偿电流。
7.根据权利要求5或6所述的控制系统，其中所述精细调节模块被配置为在从所述MTPA控制块输出的所述基准d轴电流被保持锁存的同时通过执行以下算法来确定所述最优补偿电流：
(i)开启及关闭被添加至所述基准d轴电流的扰动电流信号以形成所述切换信号生成模块被配置为基于其反复生成切换信号以控制所述逆变器的信号，
(ii)确定在所述扰动信号开启时所述电机的电流或功率的幅值与在所述扰动信号关闭时所述电机的电流或功率的幅值之间的差异，以及
(iii)累积地将补偿电流添加至所述切换信号生成模块被配置为基于其反复生成切换信号以控制所述逆变器的所述信号，其中所述补偿电流根据所述差异进行确定，其中对重复(i)-(iii)直至所述差异下降至低于阈值水平。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述精细调节模块被配置为在所述差异下降至低于所述阈值水平时关闭所述扰动信号并且获得作为累积地增加的所述补偿电流的所述最优补偿电流。
9.根据权利要求1-2、4-6和8中任一项所述的控制系统，其中所述电机的电流或功率的所述幅值是所述电机的电流的幅值，并且被计算为所确定的所述d轴电流和所述q轴电流(isd,isq)的均方根或者根据所检测的电流(ia,ib)进行计算。
10.根据权利要求1-2、4-6和8中任一项所述的控制系统，其中所述电机的电流或功率的所述幅值是所述电机的估计功率的幅值，并且基于(i)以所述基准d轴电流和所述基准q轴电流(i*sd,i*sq)为基础计算的基准电压(u*sd,u*sq)以及(ii)所确定的所述d轴电流和所述q轴电流(isd,isq)或所述所检测的电流(ia,ib)进行计算。
11.根据权利要求1-2、4-6和8中任一项所述的控制系统，其中所述电机的电流或功率的幅值是所述电机的功率的幅值，并且基于所检测的所述电机的电压和电流进行计算。
12.根据权利要求1-2、4-6和8中任一项所述的控制系统，其中所述控制系统被配置为对感应电机(12)的所述定子进行供电，并且所述电流传感器(15)被配置为反复检测所述电机的定子电流。
13.根据权利要求1-2、4-6和8中任一项所述的控制系统，其中所述精细调节模块以被配置为以饱和电机通量操作条件进行操作。
14.一种用于具有定子和转子的电动三相变速电机(12)的控制方法，包括以下步骤：
-接收所述电机的反复检测的电流；
-基于所接收的电流反复确定d轴电流和q轴电流(isd,isq)；
-反复对所确定的所述q轴电流进行滤波由此生成基准q轴电流(i*sq)；
-应用MTPA(每安培最大扭矩)控制方案，其中基于所确定的所述d轴电流和所述q轴电流(isd,isq)以及比率数值反复生成基准d轴电流(i*sd)而使得所述d轴电流和所述q轴电流的比率等于所述比率数值，其中所述比率数值是单位值；以及
-基于所述基准d轴电流和所述基准q轴电流(i*sd,i*sq)反复生成切换信号以控制逆变器，其中所述逆变器可操作以对所述电机进行供电，其特征在于以下步骤：
-通过计算所述电机的电流(|i|)或功率(P*)的幅值并且基于所计算的所述电机的电流或功率的幅值确定最优补偿比率数值(K(sc))而对所述MTPA控制方案进行精细调节，所述最优补偿比率数值被添加至所述比率数值以形成经调节比率数值(1+K(sc))，所述经调节比率数值在所述MTPA控制方案中使用时将使得所述电机操作下其中所述电机的电流或功率的幅值得以被最小化的状态中；
-应用所述MTPA(每安培最大扭矩)控制方案以基于所确定的所述d轴电流和所述q轴电流(isd,isq)和所述经调节比率数值反复地生成经调节的基准d轴电流(i*sd(adj))，使得所述基准d轴电流和所述基准q轴电流的比率等于所述经调节比率数值；以及
-基于所述经调节的基准d轴电流反复生成切换信号以控制所述逆变器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中通过执行以下步骤进行所述精细调节：
(i)开启及关闭被添加至所述比率数值的扰动信号以形成所述MTPA控制模块被配置为基于其反复生成基准d轴电流的信号，所述切换信号生成模块被配置为进而基于所述基准d轴电流反复生成切换信号以控制所述逆变器，
(ii)确定在所述扰动信号开启时所述电机的电流或功率的幅值与在所述扰动信号关闭时所述电机的电流或功率的幅值之间的差异，以及
(iii)累积地将补偿比率数值添加至所述MTPA控制方案被配置为基于其反复生成基准d轴电流的所述信号，其中所述补偿比率数值根据所述差异进行确定，其中重复(i)-(iii)直至所述差异下降至低于阈值水平，由此获得所述最优补偿比率数值作为累积增加的补偿比率数值。
16.一种用于具有定子和转子的电动三相变速电机(12)的控制方法，包括以下步骤：
-接收所述电机的反复检测的电流；
-基于所检测的电流反复确定d轴电流和q轴电流(isd,isq)；
-反复对所确定的所述q轴电流进行滤波由此生成基准q轴电流(i*sq)；
-应用MTPA(每安培最大扭矩)控制方案，其中基于所确定的所述d轴电流和所述q轴电流(isd,isq)以及比率数值反复生成基准d轴电流(i*sd)而使得所述d轴电流和所述q轴电流的比率等于所述比率数值，其中所述比率数值是单位值；以及
-基于所述基准d轴电流和所述基准q轴电流(i*sd,i*sq)反复生成切换信号以控制逆变器，其中所述逆变器可操作以对所述电机进行供电，其特征在于以下步骤：
-通过计算所述电机的电流(|i|)或功率(P*)的幅值并且基于所计算的所述电机的电流或功率的所述幅值确定最优补偿电流(i(sc))而对所述MTPA控制方案进行精细调节，所述最优补偿电流被添加至所述基准d轴电流以形成经调节的基准d轴电流(i*sd)，所述经调节的基准d轴电流被用于生成所述切换信号时将使得所述电机操作在其中所述电机的电流或功率的所述幅值被最小化的状态中；以及
-基于所述经调节的基准d轴电流反复生成切换信号以控制所述逆变器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在从所述MTPA控制块输出的所述基准d轴电流被保持锁存的同时通过执行以下步骤进行所述精细调节：
(i)开启及关闭被添加至所述基准d轴电流的扰动电流信号以形成基于其所述反复生成的切换信号用以控制所述逆变器的信号，
(ii)确定在所述扰动信号开启时所述电机的电流或功率的幅值与在所述扰动信号关闭时所述电机的电流或功率的幅值之间的差异，以及
(iii)累积地将补偿电流添加至基于其所述反复生成的切换信号用以控制所述逆变器的信号，其中所述补偿电流根据所述差异进行确定，并且其中重复(i)-(iii)直至所述差异下降至低于阈值水平。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中所述电机的电流或功率的大小是：(i)所述电机的电流的幅值，并且被计算为所确定的所述d轴电流和所述q轴电流(isd,isq)的均方根或者根据所检测的电流(ia,ib)进行计算；(ii)所述电机的估计功率的幅值，并且基于(a)以所述基准d轴电流和所述基准q轴电流(i*sd,i*sq)为基础计算的基准电压以及(b)所确定的所述d轴电流和所述q轴电流(isd,isq)或所述所检测电流(ia,ib)进行计算；或者(iii)所述电机的功率的幅值并且基于所检测的所述电机的电压和电流进行计算。
19.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中所述精细调节在检测到所述电机的操作条件改变些进行重置，例如由于所述电机的扭矩和/或速度的瞬态阶跃而发生变化时，并且所述精细调节在已经检测到所述电机的稳定状态时再次被执行。
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