CN105577061B - 扭矩控制装置和方法以及电动机控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及扭矩控制装置和方法以及电动机控制器。一种扭矩控制装置包括：磁链估计器，其基于由温度传感器测得的电动机的当前温度和预定基准温度之间的差值，估计磁链的变化量；扭矩补偿值计算器，其基于估计出的磁链的变化量，计算与电动机的当前温度对应的扭矩补偿值；以及扭矩补偿器，其通过施加响应于电动机的温度变化而计算出的扭矩补偿值，补偿扭矩命令的所需扭矩的误差，并将包含经误差补偿的所需扭矩的最终扭矩命令输出到电动机控制器的电流图。

Description

扭矩控制装置和方法以及电动机控制器
技术领域
本发明总体涉及扭矩控制装置和方法以及电动机控制器，更具体地，涉及一种根据电动机的温度变化补偿所需扭矩的误差的技术。
背景技术
诸如混合动力车辆和电动车辆的环保型车辆使用由电动机和逆变器构成的电动机系统作为主动力源。因此，驱动电动机的扭矩和输出性能极大地影响这类车辆的性能，并且驱动电动机的输出性能的提高和/或降低会影响车辆的整体性能。
为了维持这种车辆的稳定的行驶性能，驱动电动机恒定地输出与所需扭矩匹配的扭矩是非常重要的。永磁同步电动机的输出性能受到诸如速度、电压和温度这些运行条件的影响。然而，在电流图(current map)中选择与所需扭矩对应的电流命令时，需要考虑到运行条件，例如速度、电压和扭矩命令。例如，当没有考虑电动机的温度时，电动机控制器会选择针对基准温度的电流命令，由于基准温度和实际温度之间的差值而产生扭矩误差。因此，驱动电动机不能恒定地输出与所需扭矩匹配的扭矩。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有技术中出现的上述问题，同时维持现有技术实现的优点不变。
本发明的一方面提供了扭矩控制装置和方法以及电动机控制器，其能够估计与电动机的温度关联的扭矩误差，并补偿该扭矩误差，以使得环保型车辆的驱动电动机能够获得恒定输出，而与温度条件无关。
根据本发明的实施例，一种扭矩控制装置包括：磁链估计器，其基于由温度传感器测得的电动机的当前温度和预定基准温度之间的差值，估计磁链的变化量；扭矩补偿值计算器，其基于估计出的磁链的变化量，计算与电动机的当前温度对应的扭矩补偿值；以及扭矩补偿器，其通过施加响应于电动机的温度变化而计算出的扭矩补偿值，补偿扭矩命令的所需扭矩的误差，并且将包含经误差补偿的所需扭矩的最终扭矩命令输出到电动机控制器的电流图。
磁链估计器可以根据如下值来估计磁链的变化量，该值是通过将从基准温度中减去电动机的当前温度而得到的值乘以预定磁链基准值得出的。
扭矩补偿值计算器可以根据如下值来计算扭矩补偿值，该值是通过将磁链的变化量乘以电动机的极数和扭矩轴电流得出的。
扭矩补偿器可以根据如下值来输出最终扭矩命令，该值是通过将所需扭矩与扭矩补偿值相加得出的。
此外，根据本发明的实施例，一种扭矩控制方法包括以下步骤：基于由温度传感器测得的电动机的当前温度和预定基准温度之间的差值，估计磁链的变化量；基于估计出的磁链的变化量，计算与电动机的当前温度对应的扭矩补偿值；通过施加响应于电动机的温度变化而计算出的扭矩补偿值，补偿扭矩命令的所需扭矩的误差；以及将包含经误差补偿的所需扭矩的最终扭矩命令输出到电动机控制器的电流图。
估计磁链的变化量的步骤可以包括：根据如下值来估计磁链的变化量，该值是通过将从基准温度中减去电动机的当前温度而得到的值乘以预定磁链基准值得出的。
计算扭矩补偿值的步骤可以包括：根据如下值来计算扭矩补偿值，该值是通过将磁链的变化量乘以电动机的极数和扭矩轴电流值得出的。
补偿所需扭矩的误差的步骤可以包括：通过将扭矩补偿值与所需扭矩相加，补偿由于电动机的温度变化而导致的所需扭矩的误差。
此外，根据本发明的实施例，一种电动机控制器包括：扭矩控制装置，其基于由温度传感器测得的电动机的温度变化，估计磁链的变化量，并且基于根据估计出的磁链的变化量计算出的、与电动机的当前温度对应的扭矩补偿值，补偿扭矩命令的所需扭矩的误差；电流图，其基于由扭矩控制装置进行了误差补偿的所需扭矩、电动机的转速和电压，选择并输出与扭矩命令匹配的电流命令；电流调节器，其选择并输出与电流图选择的电流命令对应的电压命令；以及电力模块，其将电压命令的所需电压转换为脉冲宽度调制(PWM)形式的三相电压，并将三相电压输出到电动机。
附图说明
从下面结合附图进行的详细描述中，本发明的上述目的、特征和优点以及其他目的、特征和优点将更加明显。
图1是示出根据本发明的实施例的电动机控制器的图示；
图2是示出根据本发明的实施例的扭矩控制装置的图示；
图3是为了描述图2的磁链估计器的构成而参考的图示；
图4是为了描述图3的扭矩补偿值计算器的构成而参考的图示；
图5是示出根据本发明的实施例的扭矩控制方法的工作流程图；
图6是为了描述根据本发明的实施例的电动机控制器的电流命令选择操作而参考的示例性图示；
图7和图8是为了描述根据本发明的实施例的电动机控制器的扭矩输出变化而参考的示例性图示。
符号说明
10：电流图
20：电流调节器
30：坐标转换器
40：过调器
50：电力模块
60：电动机
100：扭矩控制装置
110：磁链估计器
120：扭矩补偿值计算器
具体实施方式
需要注意的是，在本说明书中使用的技术术语仅用于描述特定实施例，而无意对本发明进行限制。另外，除非在本说明书中另外指出，否则应当理解，在本说明书中使用的所有技术术语均被解释为本领域技术人员通常所理解的含义，而不解释为过度概括的含义或过度缩减的含义。另外，当在本说明书中使用的技术术语是没有准确地表明本发明的技术精神的不正确的技术术语时，应当理解，这些技术术语用本领域技术人员正确理解的技术术语替换。此外，在本发明中使用的一般术语必须根据字典或上下文定义的术语来进行理解，而不应当是过度缩减的含义。
另外，在本说明书中使用的单数形式意在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。在本说明书中，需要注意的是，术语“包括”或“包含”等不应当被解释为必然包括在本说明书中描述的若干部件或若干步骤，并且可以不包括前述部件或步骤中的一些，或者额外的部件或步骤被解释为也被包括在其中。
在本说明书中使用的包含序数词(例如，第一、第二等)的术语可以被用来描述不同的部件。然而，这些部件并不限于这些术语。这些术语被用来将一个部件与其它部件区分开来。例如，“第一”部件可以被命名为“第二”部件，反之亦然，而不会偏离本发明的范围。
应当理解，在此使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似的术语包括一般机动车辆，例如客运汽车(包括运动型多功能车辆(SUV))、公共汽车、卡车、各种商用车辆、水运工具(包括各种艇和船)、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源得到的燃料)。如在此提到的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，既有汽油动力又有电动力的车辆。
此外，应当理解，下面的方法或其方面中的一个或多个可以由至少一个控制器。术语“控制器”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为存储程序指令，并且处理器被具体编程为执行程序指令，以执行下文进一步描述的一个或多个处理。此外，应当理解，下面的方法可以由包含控制器和一个或多个额外部件的装置来执行，如本领域技术人员所理解的那样。
在下文中，将参考附图更详细地描述本发明的实施例。相同的附图标记将被用于描述相同或者类似的部件，而与附图标记无关，并且对相同部件的重复描述将被省略。此外，当确定与本发明相关的现有技术的详细描述可能掩盖本发明的要点时，该详细描述将被省略。另外，需要注意的是，提供附图只是为了使本发明的精神更易于理解，附图不应当被解释为限制本发明的精神。
图1是示出根据本发明的实施例的电动机控制器的图示。
根据本发明的电动机控制器使用同步参考系电流调节器(synchronousreference frame current regulator)。如图1所示，电动机控制器可以包括电流图(每安培最大扭矩(MTPA))10、电流调节器20、坐标变换器30、过调器(over modulator)40和电力模块50。在这种情况下，当以电角速度ωr转动的电动机60要给出所需扭矩Te *时，电流图10接收所需扭矩Te *、电角速度ωr和速度Vdc，以选择与所需扭矩匹配的电流命令Idsr*和Iqsr*，并将选定的电流命令输出到电流调节器20。
根据本发明的电动机控制器，用于根据电动机60的温度补偿扭矩误差的扭矩控制装置100可以被设置在电流图10的所需扭矩输入端子处。此外，电动机控制器还可以包括温度传感器(未示出)，其向扭矩控制装置100提供电动机60的温度。扭矩控制装置100根据电动机60的温度估计扭矩误差，并根据所估计的扭矩误差计算扭矩补偿值，并将计算出的扭矩补偿值反映到与扭矩命令对应的所需扭矩Te *，从而将补偿了扭矩误差的最终扭矩命令施加到电流图10。因此，电流图10选择与补偿了对应于电动机60温度的扭矩误差的最终扭矩命令匹配的电流命令Idsr*和Iqsr*，并将选定的电流命令Idsr*和Iqsr*输出到电流调节器20。
电流调节器20选择并输出电压命令Vdsr*和Vqsr*，以使从电流图10接收到的电流命令Idsr*和Iqsr*流到电动机60。在这种情况下，从电流调节器20输出的电压命令Vdsr*和Vqsr*通过坐标变换器30和过调器40被输入到电力模块50。
电力模块50将电压命令Vdsr*和Vqsr*转换为脉冲宽度调制(PWM)形式的三相电压，并将该三相电压施加到电动机60。在这种情况下，施加到电动机60的电压命令是在对应于电动机60温度的扭矩误差被补偿了的状态下选择的，因此电动机60恒定地输出与扭矩命令的所需扭矩匹配的扭矩。
因此，将参考图2的实施例详细描述补偿电动机控制器的扭矩误差的扭矩控制装置100。
图2是示出根据本发明的实施例的扭矩控制装置的图示。
如图2所示，扭矩控制装置100被设置在电流图10的所需扭矩输入端子处。因此，扭矩控制装置100可以包括磁链估计器110、扭矩补偿值计算器120和扭矩补偿器130。
首先，当从测量电动机的温度的温度传感器输入了电动机的当前温度时，磁链估计器110根据输入的电动机温度估计磁链的变化量(variation)，并将估计出的变化量输出到扭矩补偿值计算器120。这里，磁链估计器110的详细部件可以在图3中示出。
如图3所示，当从温度传感器输入了电动机的当前温度Tmot时，磁链估计器110计算预定基准温度Tmot_ref和电动机的当前温度Tmot之间的差值，以估计磁链的变化量。磁链的变化量可以基于下述公式1和公式2来计算。
[公式1]
λf＝λf_ref×{1+(Tempref-Temp)×k}
[公式2]
Δλf＝λf_ref×{(Tempref-Temp)×k}
在上面的公式中，λf表示磁链，Δλf表式磁链的变化量，λf_ref表示基准磁链，Tempref表示基准温度，Temp表示电动机的当前温度，k表示磁链的温度系数[％/℃]。
因此，可以通过将从基准温度中减去电动机的当前温度而得到的值乘以磁链的温度系数和基准磁链，计算磁链的变化量。磁链估计器110将计算出的磁链的变化量输出到扭矩补偿值计算器120。
扭矩补偿值计算器120使用从磁链估计器110输入的磁链的变化量来计算用于补偿与电动机的当前温度对应的扭矩误差的扭矩补偿值。扭矩补偿值计算器120的详细部件可以在图4示出。
如图4所示，当从磁链估计器110输入了磁链的变化量Δλf时，扭矩补偿值计算器120使用磁链的变化量Δλf、电动机的扭矩轴电流值iqsr和电动机的极数P来计算扭矩补偿值。扭矩补偿值可以基于下述公式3计算。
[公式3]
在上面的公式3中，ΔTe表示扭矩补偿值，P表示电动机极数，Δλf表示磁链的变化量，iqsr表示扭矩轴(即q轴)电流值。
因此，可以通过将磁链的变化量Δλf乘以电动机的扭矩轴电流值iqsr和计算扭矩补偿值。扭矩补偿值计算器120将计算出的扭矩补偿值输出到扭矩补偿器130。
扭矩补偿器130施加与电动机的当前温度对应的计算出的扭矩补偿值，以补偿扭矩命令的所需扭矩的误差。当输入了扭矩命令的所需扭矩Te *时，扭矩补偿器130将从扭矩补偿值计算器120输入的扭矩补偿值ΔTe施加到所需扭矩Te *，以补偿与电动机的当前温度对应的扭矩误差。
扭矩命令的所需扭矩可以由下述公式4表示。
[公式4]
在上面的公式4中，Te *表示所需扭矩，P表示电动机的极数，Ld表示磁通轴(d轴)电感，Lq表示扭矩轴(q轴)电感，idsr表示磁通轴(d轴)电流值，iqsr表示扭矩轴(q轴)电流值，λf表示磁链。
因此，扭矩补偿值130将包含经误差补偿的所需扭矩Te_comp的最终扭矩命令输出到电动机控制器的电流图10。经误差补偿的所需扭矩可以基于下述公式5计算。
[公式5]
在上面的公式5中，Te_comp表示经误差补偿的所需扭矩，Te *表述所需扭矩，ΔTe表示扭矩补偿值。因此，可以通过将所需扭矩Te *与扭矩补偿值Te相加，计算经误差补偿的所需扭矩。
因此，扭矩控制装置100补偿扭矩命令的所需扭矩的、与电动机的当前温度对应的扭矩误差，以将最终扭矩命令输出到电流图10，由此使电动机能够输出与所需扭矩匹配的恒定扭矩。
下面将详细描述按以上说明构成的根据本发明的实施例的扭矩控制装置的工作流程。
图5是示出根据本发明的实施例的扭矩控制方法的工作流程图。如图5所示，当从温度传感器输入了电动机的当前温度Tmot时，扭矩控制装置将输入的电动机的当前温度Tmot和预定基准温度Tmot_ref进行比较(S110)。
作为步骤‘S110’的比较结果，通过计算预定基准温度Tmot_ref和电动机的当前温度Tmot的差值，估计磁链的变化量Δλf(S120)。这里，将引用上面的[公式2]作为计算磁链的变化量的公式。
此外，扭矩控制装置使用在步骤‘S120’中估计出的磁链的变化量Δλf来计算用于补偿与电动机的当前温度对应的扭矩误差的扭矩补偿值(S130)。这里，将引用上面的[公式3]作为计算扭矩补偿值的公式。
在这种情况下，扭矩控制装置将在步骤‘S130’中计算出的扭矩补偿值施加到扭矩命令的所需扭矩，以补偿与电动机的当前温度对应的扭矩误差(S140)。这里，将引用上面的[公式4]作为计算经误差补偿的所需扭矩的公式。
接下来，扭矩控制装置将包含在步骤‘S140’中进行了误差补偿的所需扭矩的最终扭矩命令施加到电动机的控制器的电流图(S150)。
图6是描述根据本发明的实施例的电动机控制器的电流命令选择操作所参考的示例性图示。特别地，图6示出永磁同步电动机的等扭矩曲线和电压极限椭圆的一部分。
如图6所示，基于在基准温度下的磁链值(即，基准磁链λf_ref)的等扭矩曲线，当电动机的温度低于基准温度时，磁链值具有大于基准磁链的值λf_ref+Δλf。另一方面，当电动机的温度高于基准温度时，磁链值具有小于基准磁链的值λf_ref-Δλf。
另一方面，电压极限椭圆表示可控命令电流idsr*和iqsr*的范围，该范围由输入电压Vdc和电动机的转速确定。如图6所示，当输入电压降低或者电动机的转速增加时，电压极限椭圆变小。
在基准磁链中，如果在特定运行条件(例如，电压、速度或扭矩命令)下的电流命令为，则的位置响应于温度的变化而改变。这里，d轴电流命令不受温度影响，并且因此是恒定的，只有q轴电流命令响应于温度的变化而上下改变。
在这种情况下，当电流命令从电压极限椭圆偏离时，电流不能被控制。根据本发明的示例性实施例，与温度对应的扭矩命令的扭矩误差被补偿，并且因此电流命令被确定为电压极限椭圆内的值。
图7和图8是描述根据本发明的实施例的电动机控制器的扭矩输出变化的示例性图示。图7和图8中的每个点都表示扭矩命令的所需扭矩Te *的实际输出扭矩。
首先，图7是示出与电动机的温度对应的所需扭矩的扭矩误差没有被补偿时的输出扭矩的图示，可以确认，与基准温度下的扭矩命令匹配的扭矩被输出，但是当磁链响应于温度变化而增加或减少时，产生2％到4％的扭矩误差。
另一方面，图8是示出与电动机的温度对应的所需扭矩的扭矩误差被补偿了时的输出扭矩的图示，可以确认，由于使用温度差导致的磁链的差值计算出扭矩补偿值，接着将计算出的扭矩补偿值施加到所需扭矩，输出了与期望扭矩命令的所需扭矩接近的扭矩，而不管电动机的温度如何。
根据本文公开的本发明的实施例，通过基于电动机的温度变化估计磁链的变化量，由此补偿由于温度差而引起的扭矩命令的所需扭矩的误差，以便电动机能够恒定地输出与所需扭矩匹配的扭矩，由此保持车辆的驾驶性能稳定。
这些处理可以通过硬件模块、由处理器执行的软件模块、或其组合直接实现。软件模块可以位于存储介质中，例如RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可拆卸的硬盘和CD-ROM，即存储器和/或存储装置。所举例的存储介质与处理器耦合，处理器可以从存储介质读取信息，并将信息写入存储介质中。作为另一种方法，存储介质可以与处理器集成。处理器和存储介质可以位于专用集成电路(ASIC)中。ASIC可以位于用户终端中。作为另一种方法，处理器和存储介质可以位于用户终端中作为一个单独的部件。
在上文中，尽管通过诸如具体部件等的特定要素、实施例和附图描述了本发明，但是它们仅被提供用于全面理解本发明。因此，本发明不限于前述示例性实施例，而是不背离本发明的精神和范围的情况下，本发明所属的领域的技术人员可以进行各种修改和改变。因此，本发明不限于上述实施例。即，下面的权利要求以及对这些权利要求相同地或等同地修改的所有内容都落入本发明的范围和精神内。

Claims (5)

1.一种扭矩控制装置，包括：
磁链估计器，其基于由温度传感器测得的电动机的当前温度和预定基准温度之间的差值，估计磁链的变化量；
扭矩补偿值计算器，其基于估计出的磁链的变化量，计算与电动机的当前温度对应的扭矩补偿值；以及
扭矩补偿器，其通过施加响应于电动机的温度变化而计算出的扭矩补偿值，补偿扭矩命令的所需扭矩的误差，并将包含经误差补偿的所需扭矩的最终扭矩命令输出到电动机控制器的电流图，
其中所述磁链估计器根据如下值来估计磁链的变化量，该值是通过将从基准温度中减去电动机的当前温度而得到的值乘以预定磁链基准值得出的，
其中所述扭矩补偿值计算器根据如下值的3/2来计算扭矩补偿值，该值是通过将磁链的变化量乘以扭矩轴电流值以及电动机的极数的一半得出的。
2.如权利要求1所述的扭矩控制装置，其中所述扭矩补偿器根据如下值来输出最终扭矩命令，该值是通过将所需扭矩与扭矩补偿值相加得出的。
3.一种扭矩控制方法，包括以下步骤：
基于由温度传感器测得的电动机的当前温度和预定基准温度之间的差值，估计磁链的变化量；
基于估计出的磁链的变化量，计算与电动机的当前温度对应的扭矩补偿值；
通过施加响应于电动机的温度变化而计算出的扭矩补偿值，补偿扭矩命令的所需扭矩的误差；以及
将包含经误差补偿的所需扭矩的最终扭矩命令输出到电动机控制器的电流图，
其中估计磁链的变化量的步骤包括：
根据如下值来估计磁链的变化量，该值是通过将从基准温度中减去电动机的当前温度而得到的值乘以预定磁链基准值得出的，
其中计算扭矩补偿值的步骤包括：
根据如下值的3/2来计算扭矩补偿值，该值是通过将磁链的变化量乘以扭矩轴电流值以及电动机的极数的一半得出的。
4.如权利要求3所述的扭矩控制方法，其中补偿所需扭矩的误差的步骤包括：
通过将扭矩补偿值与所需扭矩相加，补偿由于电动机的温度变化而导致的所需扭矩的误差。
5.一种电动机控制器，包括：
扭矩控制装置，其基于由温度传感器测得的电动机的温度变化，估计磁链的变化量，并基于根据估计出的磁链的变化量计算出的、与电动机的当前温度对应的扭矩补偿值，补偿扭矩命令的所需扭矩的误差；
电流图，其基于由所述扭矩控制装置进行了误差补偿的所需扭矩、电动机的转速和电压，选择并输出与扭矩命令匹配的电流命令；
电流调节器，其选择并输出与所述电流图选择的电流命令对应的电压命令；以及
电力模块，其将所述电压命令的所需电压转换为脉冲宽度调制(PWM)形式的三相电压，并将所述三相电压输出到电动机，
其中所述扭矩控制装置根据如下值来估计磁链的变化量，该值是通过将从基准温度中减去电动机的当前温度而得到的值乘以预定磁链基准值得出的，
其中所述扭矩控制装置根据如下值的3/2来计算扭矩补偿值，该值是通过将磁链的变化量乘以扭矩轴电流值以及电动机的极数的一半得出的。
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