CN105580016A - 利用转子磁通估计的感应马达磁通和转矩控制 - Google Patents

Abstract

提供一种转子磁通估计器。该转子磁通估计器包括估计模块，其根据在相电压参考系中表示的定子电压矢量、转子的旋转速度和在相电压参考系中表示的定子电流矢量，生成在相电压参考系中表示的第一转子磁通矢量和在相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量。估计模块包括至少一个处理器，并且估计模块包括转子磁通电流模型和转子磁通电压模型。

Description

利用转子磁通估计的感应马达磁通和转矩控制

背景技术

在感应马达中，AC(交流电)电力激励定子的绕组，产生旋转的磁场，该磁场特征为具有定子磁通。该定子磁通在转子绕组中感应电流。该转子经历转矩，并且在负载下以低于定子磁通的旋转速度的速度旋转。转子的旋转速度与定子磁通的旋转速度之间的差值是转差速度，并且转子和定子磁通的位置之间的差异被称为偏离角。转子所见的变化的磁通由于定子磁通旋转速度的差异被称为转子磁通。

两种普及类型的感应马达控制器，以及其所用的算法，是直接转矩控制(DTC)和磁场定向控制(FOC)。在DTC中，使用定子α和β参考系中的坐标控制转矩和定子磁通，也就是，坐标与定子的a，b相位有关，其中，在固定坐标系统中计算。在FOC中，使用转子d和q参考系中的坐标控制转子磁通、转矩电流的横向分量和转子磁通纵向分量，也就是，坐标与转子的纵轴和横轴相关，其中，在与转子同步旋转的旋转坐标系统中计算。每种类型的感应马达控制器都有优势和劣势。因此，在本技术领域需要克服前面所述系统的缺点的解决方案。

发明内容

在一些实施例中，提供了转子磁通估计器。该转子磁通估计器包括估计模块，其根据在相电压参考系中表示的定子电压矢量、转子的旋转速度和在相电压参考系中表示的定子电流矢量，生成在相电压参考系中表示的第一转子磁通矢量和在相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量。该估计模块包括至少一个处理器，并且估计模块包括转子磁通电流模型和转子磁通电压模型。

在一些实施例中，提供了转子磁通估计器。该转子磁通估计器包括第一模块，其经由应用转子磁通电流模型，根据在相电压参考系中表示的定子电流矢量和转子的旋转速度，生成在相电压参考系中表示的第一转子磁通矢量。该转子磁通估计器包括第二模块，其经由应用转子磁通电压模型，根据在相电压参考系中表示的定子电压矢量、在相电压参考系中表示的定子电流矢量和估计校正因子，生成在相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量。该转子磁通估计器包括估计器调节器，其根据在相电压参考系中表示的第一转子磁通矢量和在相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量，生成估计校正因子，其中至少第一模块、第二模块或估计器调节器包括处理器。

在一些实施例中，提供了估计转子磁通的方法。该方法包括根据在相电压参考系中表示的定子电流矢量和转子的旋转速度，经由应用转子磁通电流模型，产生在相电压参考系中表示的第一转子磁通矢量。该方法包括根据在相电压参考系中表示的定子电流矢量、在相电压参考系中表示的定子电压矢量和估计校正因子，经由应用转子磁通电压模型，产生在相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量。该方法包括根据第一转子磁通矢量和第二转子磁通矢量之间的差值产生估计校正因子，其中，至少一种方法操作通过处理器被执行。

根据下列具体实施方式结合附图，实施例的其他方面和优点将变得明显，其中附图通过示例方式示出所描述的实施例的原理。

附图说明

通过参考下列描述并结合附图可以最好地理解所描述的实施例及其优点。这些图形在形式和细节上绝不限制任何改变，在不脱离所描述实施例的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以对所描述的实施例进行改变。

图1是根据本发明的感应马达控制器的原理图。

图2是说明定子磁通参考系的纵轴线和横轴线(d和q)相对于相电压参考系的x轴线和y轴线旋转的矢量图，如图1的原理图所述。

图3是图1中感应马达控制器的实施例的原理图。

图4是图3中磁通和转矩估计器的实施例的原理图。

图5是图3中磁通和转矩限制器的实施例的原理图。

图6是图1和图3中转矩调节器的实施例的原理图。

图7是图1和图3中磁通调节器的实施例的原理图。

图8是估计转子磁通的方法的流程图，其能够在图1和图3至图7中的感应马达控制器的实施例中实施。

具体实施方式

感应马达控制器，其实施例在图1至图8中示出以及在此被描述，具有不同于场定向控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)感应马达控制器的特征和操作。本感应马达控制器通过转子磁通调节器回路和转矩调节器回路执行转子磁通和转矩控制，并且在定子磁通参考系和相电压参考系中操作。该转子磁通和转矩调节器回路在定子磁通参考系中被(至少部分)处理。这对比于控制转矩和定子磁通的DTC，DTC在静态的(即非旋转的)参考系中执行计算，并且对比FOC，FOC在对齐于受控的特定磁通的参考系中执行计算，以及其他差异。在定子磁通参考系中控制转子磁通作为可调节的变量，在本系统中，对比其它系统和方法，在转子磁通参考系中控制转子磁通作为可调节的变量，或者在定子磁通参考系中控制定子磁通作为可调节的变量。对比于很多(或所有)要求电流控制的FOC控制器，本感应马达控制器的实施例可以在没有电流调节回路的情况下操作。

在本感应马达控制器中，转矩调节器和磁通调节器生成命令定子电压矢量，其在定子磁通参考系中被表示。该矢量被旋转并变换成相电压参考系中的矢量，从中导出感应马达的AC(交流电)电力。附加的模块为转矩调节器回路和转子磁通调节器回路提供反馈，也将在下面进一步描述。

本文公开详细的说明实施例。然而，本文公开的具体功能细节仅代表描述实施例的目的。但是，实施例可以以许多替换形式体现，不应该构建为仅限于在此阐述的实施例。

应该理解，尽管本文使用术语第一、第二等描述步骤或计算，这些步骤或计算不应被这些术语限制。这些术语仅用来将其中一个步骤或计算与另一个步骤或计算区分开。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一计算可以被称为第二计算，并且类似地，第二步骤可以被称为第一步骤。如本文使用的，术语“和/或”和“/”符号包括相关列举条目中的一个或更多个的任意和全部结合。

如本文所用的，单数形式“一个(a和an)和“该(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。将进一步理解，术语“包括”，和/或“包含”，当在本文中使用时，说明所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件存在，但不排除一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或组群的存在和添加。因此，本文使用的术语仅用来描述具体实施例的目的且并不旨在限制。

还应该注意，在一些替代实施方式中，示出的功能/动作可以不按照图中示出的顺序发生。例如，连续示出的两个附图可以基本同时执行或有时可以以相反顺序执行，这取决于涉及的功能/动作。

图1示出感应马达控制器在定子磁通参考系和相电压参考系中操作。该感应马达控制器向感应马达106提供AC(交流电)电力，例如提供三相电力到三相感应马达。转矩调节器108操作转矩调节器回路116，并且利用此生成投影到定子磁通参考系中的横(q)轴线上的命令定子电压矢量，该矢量投影或分量被表示为Vqsc。转子磁通调节器110操作转子磁通调节器回路114，并且利用此生成投影到定子磁通参考系中的纵轴线(d)上的命令定子电压矢量，该矢量投影或分离被表示为Vdsc。定子磁通参考系102关于图2将被进一步讨论。定子磁通参考系102中的物理量，如果是矢量就被认定为“dq”，如果是矢量的纵轴分量就被认定为“d”，如果是矢量的横向分量就被认为是“q”。

因此，转矩调节器108和转子磁通调节器110一起生成命令定子电压矢量Vdsc、Vqsc，其在定子磁通参考系102中表示。转矩调节器108和转子磁通调节器110都在定子磁通参考系102中操作。在所示的实施例中，转矩调节器108和磁通调节器110是分开的模块，但是可以结合成更大的模块。命令定子电压矢量Vdsc，Vqsc代表定子电压，其被感应马达控制器命令，其被确定以调整感应马达106的转矩和转子磁通。DQ/XY坐标变换模块112将命令定子电压矢量Vdsc，Vqsc从定子磁通参考系102变换到相电压参考系104，其中，变换后的矢量Vxsc，Vysc被用来为感应马达106生成AC电力。在所示的实施例所示中，感应马达106是三相感应马达。该三相表示为a，b，c。其它相数和其它相的表示也可以使用。

图2的作用是指导理解本文所述的感应马达控制器的参考系、矢量、投影和实施例。在图2中，x轴线和y轴线是正交的。x轴线和y轴线在相电压参考系中。x轴线与感应马达定子的其中一个相电压对齐，例如与定子的绕组“A”的相电压对齐。当AC电力应用到定子绕组时，定子磁链(即定子绕组所链环的总磁通)相对于相电压参考系旋转。这在矢量图标中被描绘成以Wfs的旋转速度或旋转速率、定子磁通的旋转速度旋转的d或纵轴线。作为本领域通用的做法，术语定子磁链被缩写成定子磁通。q轴线或横轴线垂直于d轴线。q轴线和d轴线一起旋转，这是定子磁通参考系相对于相电压参考系旋转的象征。在任意瞬间，d轴线对准定子磁通并且被定子磁通角(表示为Afs)从x轴线有角度地置换。等价地，定子磁通角Afs是介于定子磁通d轴线和x轴线之间的角度。在任意瞬间，任意矢量物理量在定子磁通空间或相电压空间都能被投影到任意轴线上。在所示的例子中，转子电流(表示为ir)被投影到d轴线和q轴线上。

在图3中，图1中的感应马达控制器的实施例被进一步开发。图3中的感应马达控制器旨在由感应马达106推进的电力或混合动力车辆中使用。感应马达控制器的进一步实施例可以被用在除车辆以外的感应马达的其他应用中，例如，在工业应用中、在机电的机器中和在机器人中。感应马达控制器的模块、操作和控制回路的综述被呈现如下，然后伴随更深一步地讨论。应该领会各种变量、系数、中间值、输入和输出可以被调整以适应维度兼容性或规范化，基于实施方式以及各种实施例，模块可以被组合或分解，或模块可以包含附加的模块。

车辆控制单元318、转矩命令生成器316和磁通命令生成器314配合产生命令转矩Tc和命令转子磁通Frc。一般地，在电力或混合动力车辆中，命令转矩基于来自用户的输入，例如电力车辆的驾驶员或机电装置的操作员。更具体地，命令转矩将基于车辆中加速器踏板的位置和制动踏板的位置。在其它系统中这些量将基于其它输入。

命令转矩Tc和命令转子磁通Frc与回路变量一同被输入到转矩调节器108和磁通调节器110。转矩调节器108和磁通调节器110一起经由转子磁通调节器回路114和转矩调节器回路116导出定子磁通参考系中表示的命令定子电压矢量。转子磁通调节器回路114和转矩调节器回路116至少部分在定子磁通参考系中处理。

DQ/XY矢量旋转模块302、空间矢量调制模块304、和DC/AC(直流电到交流电)逆变器306处理命令定子电压矢量以为感应马达106产生AC(交流电)电力。DQ/XY矢量旋转模块302是图1的DQ/XY坐标变换模块112的一个实施例，该模块根据定子磁通角Afs应用矢量旋转，将命令定子电压矢量从定子磁通参考系102(如Vdsc，Vqsc)变换到相电压参考系104(如Vxsc，Vysc)。定子磁通角Afs是估计的而不是感测的，并且在磁通和转矩估计器310中生成。

空间矢量调制模块304根据变换到相电压参考系104中的命令定子电压矢量Vxsc，Vysc生成用于DC/AC逆变器306的脉宽调制(PWM)开关控制。DC/AC逆变器306根据从空间矢量调制模块304接收的脉宽调制开关控制生成用于感应马达106的三相AC电力。在进一步的实施例中，基于逆变器306和感应马达106的设计，DC/AC逆变器306生成用于感应马达106的其它数量相位的AC电力。

磁通和转矩估计器310产生估计转矩T、估计转子磁通角Afs、估计转子磁通量Fr、定子磁通参考系102中表示的估计定子电流矢量Idqs和定子磁通参考系102中表示的估计转子电流矢量Idqr。磁通和转矩估计器310根据在相电压参考系104中表示的定子电压矢量Vxys、至少两相的定子电流Iabs、和感应马达转子的旋转速度Wr产生上述量。在所示实施例中，转子的旋转速度Wr由传感器比如与感应马达106有关的传感器提供。例如，传感器可以包括或者是轴编码器、转速计、速度计或其他感测设备或组件的部分。定子电流可以在所有三相感应马达106中被提供作为显示电流。但是，如已知的，提供两相电流值允许在三相感应马达中的第三相中扣除电流，由于这三个电流的矢量和为零(伴随马达没有净电荷的积累或损失)。在一个实施例中，定子电流Iabs由传感器提供，也就是测量值。

估计转子磁通量Fr从磁通和转矩估计器310耦合到磁通调节器110。估计转矩T从磁通和转矩估计器310耦合到转矩调节器108。估计定子磁通角Afs从磁通和转矩估计器310耦合到DQ/XY矢量旋转模块302。空间矢量调制模块304根据在定子磁通参考系102中表示的命令定子电压矢量Vdsc，Vqsc产生在相电压参考系104中被表示的定子电压矢量Vxys。至少两相的定子电流Iabs被DC/AC逆变器306提供并且作为输入被耦合到磁通和转矩估计器310。

在一个实施例中，将根据图4进一步讨论，磁通和转矩估计器310应用转子磁通电流模型和转子磁通电压模型生成估计转子磁通量Fr和估计转矩T。再参考图1，转子调节器回路114包括估计转子磁通量Fr作为磁通调节器110的输入，以及转矩调节器回路116包括估计转矩T作为转矩调节器108的输入。

继续图3，磁通和转矩限制器312与磁通和命令生成器314、转矩命令生成器316和车辆控制单元318一起工作。这些模块互相配合生成命令转矩Tc和命令转子磁通Frc，限制命令转矩Tc小于或等于可变最大命令转矩Tcmax，并且限制命令转子磁通大于或等于可变最小命令转子磁通Frcmin以及小于等于可变的最大命令转子磁通Frcmax。命令转矩Tc从转矩命令生成器316被耦合到转矩调节器108作为其输入。命令转子磁通Frc从磁通命令生成器314被耦合到转矩生成器108和磁通生成器110二者作为它们的输入。磁通和转矩限制器312的实施例将根据图5进一步讨论。

图3的感应马达控制器的讨论始于车辆控制单元318，并绕着转子磁通调节器回路和转矩调节器回路顺时针(在图中)进行。概念上，在高电平处，感应马达106的转矩命令由用户通过车辆控制单元318给出。转矩命令根据感应马达106的状态(更具体地，根据感应马达106的估计转子磁通Fr和估计转矩T)被解释。根据命令转矩Tc，命令转子磁通Frc被导出，并且它们被用于定子磁通参考系102中的计算或处理。从定子磁通参考系102变换到相电压参考系104后，生成感应马达106的AC电力。变量通过转子磁通调节器回路和转矩调节器回路被反馈，并且被用于定子磁通参考系102中的计算或处理，以完成循环。变量模块在各种实施例中可以被制成如硬件、软件、固件、或其组合。例如，在一个实施例中，一个或更多个模块用数字信号处理器(DSP)中的软件被执行。实施例能够包括一个或更多个处理器，或者一个或更多个处理器和硬件的组合。

车辆控制单元318基于用户输入产生初始命令转矩Tc0。在一个实施例中，命令转矩Tc0从耦合到车辆的节气门和制动踏板的传感器被映射。在进一步的实施例中，命令转矩Tc0从其它传感器或模块被计算、导出或映射。例如，增大的命令转矩Tc0是用户要求增大车辆的速度或加速度的结果，以及减小命令转矩Tc0是用户要求减小车辆的速度或加速度的结果。在一些实施例中，车辆控制单元将映射回滞应用到命令转矩Tc0。

转矩命令生成器316根据可变的最大命令转矩Tcmax和初始命令转矩Tc0生成命令转矩Tc。可变的最大命令转矩Tcmax作为转矩限制被应用到初始命令转矩Tc0。该操作可以通过比较和映射执行，其发送初始命令转矩Tc0作为命令转矩Tc，除非初始命令转矩Tc0超过可变的最大命令转矩Tcmax，在该情况下可变的最大命令转矩Tcmax作为命令转矩Tc发送。在各种实施例中，转矩命令生成器316在与主回路采样率相同的采样率下，或以比主回路采样率慢的采样率下运行。

磁通命令生成器314根据可变的最小命令转子磁通Frcmin、可变的最大命令转矩Tcmax、命令转矩Tc和转子的旋转速度Wr生成命令转子磁通Frc。可变的最小命令转子磁通Frcmin和可变的最大命令转矩Tcmax被作为磁通限制应用到命令转子磁通Frc。在一个实施例中，磁通命令生成器314根据命令转矩Tc、使用转子的旋转速度Wr乘以转子磁通的乘积是反EMF(电动势)的关系生成初始命令转子磁通，其与转矩直接相关。感应马达通过操作一系列不同的转子磁通可能产生相同的给定转矩，其中，不同的转子磁通产生不同的马达操作性能，例如不同的操作效率或不同的转子电力损失。通过实时计算或查找表操作，初始命令转子磁通Frc可以从命令转矩Tc获得，其优化系统操作的某些方面(例如优化的马达效率)。随后执行初始命令转子磁通和磁通限制的比较。初始命令转子磁通作为命令转子磁通Frc被发送，除非初始命令转子磁通小于可变的最小命令转子磁通Frcmin，在该情况下，可变的最小命令转子磁通Frcmin作为命令转子磁通Frc被发送。如果初始命令转子磁通大于可变的最大命令转子磁通Frcmax，可变的最大命令转子磁通Frcmax作为命令转子磁通Frc被发送。在各种实施例中，磁通命令生成器314在与主回路采样率相同的采样率下，或比主回路采样率慢的采样率下运行。

转矩调节器108处理一部分转矩调节器回路，并产生命令定子电压矢量Vqsc在定子磁通参考系102中的横轴线上的投影。转矩调节器108在定子磁通参考系102中处理。具体地，转矩调节器108处理命令转矩Tc、估计转矩T、命令转子磁通Frc和感应马达106的转子的旋转速度Wr，以产生投影到定子磁通参考系102中的横轴线上的命令定子电压Vqsc。在一个实施例中，转矩调节器108包括PI(比例积分)控制器。转矩调节器108的实施例将参考图6进一步讨论。

转子磁通调节器110处理一部分转子磁通调节器回路，并产生命令定子电压矢量Vdsc到定子磁通参考系102中的纵轴线上的投影。转子磁通调节器110在定子磁通参考系102中处理。具体地，定子磁通调节器110处理命令转子磁通Frc和估计转子磁通量Fr，以产生投影到定子磁通参考系102中的纵轴线上的命令定子电压Vdsc。

DQ/XY矢量旋转模块302作为定子磁通参考系102到相电压参考系104的矢量旋转模块，其将估计定子磁通角Afs应用到定子磁通参考系102中表示的命令定子电压矢量Vdsc、Vqsc。该估计定子磁通角Afs的应用将投影到纵轴线和横轴线上的命令定子电压从定子磁通参考系102中的第一矢量Vdsc、Vqsc(也就是命令定子电压矢量)变换到相电压参考系104中的第二矢量Vxsc、Vysc(也就是命令定子电压矢量)。在一个实施例中，该坐标变换运用了反向克拉克变换。在各种实施例中，使用实时计算或查找表执行该坐标变换。

空间矢量调制模块304生成脉宽调制(PWM)开关控制。进一步，空间矢量调制模块304生成在相电压参考系中表示的定子电压矢量Vxys，如磁通和转矩估计器310使用的。根据从DQ/XY矢量旋转模块302接收的作为第二矢量Vxsc、Vysc的命令定子电压，空间矢量调制模块304生成上述量。在一个实施例中，PWM开关控制被标准化。在各种实施例中，通过电源电压测量值Vdc乘以在相电压参考系104中表示的命令定子电压矢量Vxsc、Vysc，生成在相电压参考系104中表示的定子电压矢量Vxys，或者测量(例如用传感器)或估计在相电压参考系104中表示的定子电压矢量Vxys。

DC母线308从传感器提供电源电压测量值Vdc。在一个实施例中，DC母线耦合到电动车辆的蓄电池或电池，其提供到DC/AC逆变器306的DC电力。在一个实施例中，传感器测量DC母线308的电压测量值Vdc。

DC/AC逆变器306根据从空间矢量调制模块304接收的PWM开关控制生成用于感应马达106的三相AC电力。在一个实施例中，传感器测量逆变器温度Ti，其被发送到磁通和转矩限制器312。在一个实施例中，传感器测量定子的至少两相的定子电流Iabs，并将其发送到磁通和转矩估计器310。

在所示实施例中，感应马达106配备有传感器。一个传感器测量马达温度Tm，并将其发送到磁通和转矩限制器312。一个传感器测量转子的旋转速度Wr，并将其发送到磁通和转矩估计器310、磁通和转矩限制器312和磁通命令生成器314。

磁通和转矩估计器310为DQ/XY矢量旋转模块302生成估计定子磁通角Afs、为磁通调节器110生成估计转子磁通Fr、为转矩调节器108生成估计转矩以及为磁通和转矩限制器312生成在定子磁通参考系102中表示的定子电流矢量Idqs和在定子磁通参考系102中表示的转子电流矢量Idqr。磁通和转矩估计器310的一个实施例采用两个不同的转子磁通模块，将根据图4进行讨论。

磁通和转矩限制器312生成可变的最小命令转子磁通Frcmin、可变的最大命令转子磁通Frcmax和可变的最大命令转矩Frcmax。上述数据根据在定子磁通参考系102中表示的定子电流矢量Idqs、在定子磁通参考系102中表示的估计转子电流矢量Idqr、逆变器温度Ti、马达温度Tm、转子的旋转速度Wr和DC母线308的测量的DC电压Vdc生成。转矩限制，即可变的最大命令转矩Tcmax，从磁通和转矩限制器312被发送到转矩命令生成器316。较小和较大的转子磁通限制，即可变的最小命令转子磁通Frcmin和可变的最大命令转子磁通Frcmax，从磁通和转矩限制器312被发送到磁通命令生成器314。

因此，经由磁通和转矩估计器310、磁通调节器110和转矩调节器108，转子磁通调节器回路114和转矩调节器回路116被关闭，并且经由磁通和转矩限制器312、磁通命令生成器314和转矩命令生成器316被施加限制。为了关闭回路，允许反馈通过相电压参考系104回到定子磁通参考系102，磁通和转矩估计器310的一个实施例包括相电压参考系到定子磁通参考系的矢量旋转模块，该模块将电流矢量从相电压参考系104变换到定子磁通参考系102。磁通和转矩限制器312的实施例将参考图5进一步讨论。

图4示出磁通和转矩估计器310的实施例。磁通和转矩估计器310中的模块被实施在各种实施例中的软件、硬件、固件、和其各种组合中。例如，模块可以作为在DSP或其它处理器中执行的软件模块被执行。在各种实施例中，转子磁通电流模型404、转子磁通电压模型406、转子磁通量计算器410、转子电流计算器414、定子磁通计算器412、转矩计算器416和定子磁通角计算器418都是基于查找表或基于实时计算的。

ABC/XY矢量旋转模块402作为定子相电流参考系到相电压参考系104的矢量旋转模块，其将至少两相的定子电流Iabs变换到相电压参考系104中所表示的定子电流矢量Ixys。在一个实施例中，该变换使用帕克变换或其变体执行。

在图4所示的磁通和转矩估计器310的实施例中，两个转子磁通模型与调节器合作形成转子磁通矢量的估计值。转子磁通电流模型404比转子磁通电压模型406收敛的更快。结合两个转子磁通模型能在很宽的操作条件下提高系统的精度，就是说，在马达速度的很宽的范围以及马达转矩的很宽的范围上。另外，结合两个转子磁通模型允许各种基于电压、电流和速度的估计结果，而不仅仅是三个这些变量中的两个。

转子磁通电流模型404生成在相电压参考系104中表示的快收敛的估计转子磁通矢量Fxyr。该估计转子磁通矢量是根据在相电压参考系104中表示的定子电压矢量Ixys和转子的旋转速度Wr生成。

转子磁通电压模型406生成在相电压参考系104中表示的慢收敛的估计转子磁通矢量Fxyr0。该模型根据在相电压参考系104中表示的定子电压矢量Vxys、在相电压参考系104中表示的定子电流矢量Ixys和估计矫正因子生成估计转子磁通矢量。

估计调节器408根据在相电压参考系104中表示的快收敛的估计转子磁通矢量Fxyr和在相电压参考系104中表示的慢收敛的估计转子磁通矢量Fxyr0生成估计矫正因子。在一个实施例中，估计调节器408包括PI(比例积分)控制器。该PI控制器可以根据在相电压参考系104中表示的快收敛的估计转子磁通矢量Fxyr和在相电压参考系104中表示的慢收敛的估计转子磁通矢量Fxyr之间的差值形成误差项。该误差项然后可以被发送到比例模块和积分模块，该模块的输出被加和以形成估计矫正因子。PI控制器参考图6和转矩调节器108的实施例被描述。

继续图4，使用DSP或其它处理器的计算设备或者硬件乘法器或者一个或更多个查找表的计算能力实现磁通和转矩估计器310中的四个计算器。该计算器可以分享能力或者每个都有各自的计算能力。转子磁通量计算器410根据在相电压参考系104中表示的快收敛的估计转子磁通矢量Fxyr0生成估计转子磁通量Fr。定子磁通计算器412根据在相电压参考系104中表示的慢收敛估计转子磁通矢量Fxyr0和在相电压参考系104中表示的定子电流矢量Ixys生成在相电压参考系104中表示的估计定子磁通矢量Fxys。在一个实施例中，定子磁通计算器412包括感应马达的定子绕组的电感模型。转子电流计算器414根据在相电压参考系104中表示的快收敛估计转子磁通矢量Fxyr和在相电压参考系104中表示的估计定子磁通矢量Fxys生成在相电压参考系中表示的转子电流矢量Ixyr。转矩计算器416根据在相电压参考系104中表示的定子电流矢量Ixys和在相电压参考系104中表示的估计定子磁通矢量Fxys中生成估计转矩T。定子磁通角计算器418根据在相电压参考系104中表示的估计定子磁通矢量Fxys生成估计定子磁通角Afs。

XY/DQ矢量旋转模块420作为相电压参考系104到定子磁通参考系102的矢量旋转模块，其生成在定子磁通参考系102中表示的估计转子电流矢量Idqr和在定子磁通参考系102中表示的定子电流矢量Idqs。该模块根据在相电压参考系104中表示的估计转子电流矢量Ixyr、在相电压参考系104中表示的定子电流矢量Ixys和估计定子磁通角Afs生成上述量。在一个实施例中，XY/DQ矢量旋转模块420采用克拉克变换。

图5示出磁通和转矩限制器312的一个实施例。一些模块和磁通和转矩限制器312具有计算器，该计算器可以与磁通和转矩估计器310中的计算器类似被实现。在各种实施例中，磁通和转矩限制器312中的模块在软件、硬件、固件、及其各种组合中被执行。在各种实施例中，转子电流限制器、场削弱器、定子电流限制器、低转子磁通限制器、高转子磁通限制器、基于定子的转矩限制器和基于转子的转矩限制器中的每个是基于查找表或基于实时计算的。在各种实施例中，磁通和转矩限制器312在与主回路采样率相同的采样率下或比主回路采样率慢的采样率下运行。

转子电流限制器502根据转子的旋转速度Wr、在定子磁通参考系102中表示的估计转子电流矢量Idqr和马达温度Tm生成可变的最大转子电流Irmax。马达温度Tm受转子电流和转子的旋转速度Wr影响。在一个实施例中，转子电流限制器502减小可变的最大转子电流Irmax，以响应升高的马达温度Tm。此动作保护转子和感应马达106，不受由于过大的转子电流引起的过热损害。在一个实施例中，转子电流限制器502包括计算器。

场削弱器504根据转子的旋转速度Wr和DC母线308的DC电压Vdc或感应马达106的其他电源生成可变的最大定子磁通Fsmax。在一个实施例中，场削弱器504减小可变的最大定子磁通Fsmax，以响应转子的旋转速度Wr产生超过基础速度。场削弱器504进一步减小可变的最大定子磁通Fsmax，以响应减小的感应马达106的电源的DC电压。一些马达由于过高的定子磁通值而变得不稳定。例如，感应马达能够轻易承受最大定子磁通升高达马达的基础速度，但是在用于高的旋转速度的小的定子磁通值处变得不稳定。在一个实施例中，在转子的更高的RPM处，低的DC电压减小最大的可用磁通。作为进一步的例子，在一些感应马达中，为了更低的电源电压值，最大定子磁通应该被降低，越过转子的旋转速度的一些基础值。根据规定的感应马达106的特性，场削减器504的各种示意图被轻易地设计出来。在一个实施例中，场削减器504包括计算器。

定子电流限制器506根据转子的旋转速度Wr、在定子磁通参考系102中表示的定子电流矢量Idqs和逆变器温度Ti生成可变的最大定子电流Ismax。逆变器温度Ti受定子电流和转子的旋转速度Wr影响。在一个实施例中，定子电流限制器506减小可变的最大定子电流Ismax，以响应升高的逆变器温度Ti。这保护定子和感应马达106不受由于过大的定子电流所产生的过热损害。

低转子磁通限制器508根据可变的最大转子电流Irmax和转子的旋转速度Wr生成可变的最小命令转子磁通Frcmin。在一个实施例中，低转子磁通限制器508设定与预备状态一致的可变的最小命令转子磁通Frcmin以加速转子。例如，因为转子电流在感应马达中被感应，具有过低的转子磁通导致低转子电流，这将给出缓慢的响应命令来增大感应马达的转矩。设定可变的最小命令转子磁通Frcmin的另一个原因是维持马达的稳定或鲁棒性以对抗突发的轴负荷的变化和其它干扰。设定最小命令转子磁通为感应马达更快地响应命令做准备，来增大转矩和在干扰中维持转矩和速度。在一些实施例中，该最小值基于马达的设计和操作环境。

高转子磁通限制器510根据可变的最大定子磁通Fsmax和可变的最大定子电流Ismax生成可变的最大命令转子磁通Frcmax。在一个实施例中，高转子磁通限制器510基于可变的最大定子磁通Fsmax和可变的最大定子电流Ismax，设定可变的最大命令转子磁通Frcmax，以便减小可变的最大命令转子磁通Frcmax，以响应可变的最大定子磁通Fsmax或可变的最大定子电流Ismax减小。

基于定子的转矩限制器512根据可变的最大定子磁通Fsmax和可变的最大定子电流Ismax生成可变的基于定子的最大命令转矩Tcmaxs。在一个实施例中，基于定子的转矩限制器512根据可变的最大定子磁通Fsmax和可变的最大定子电流Ismax的乘积设定可变的基于定子的最大命令转矩Tcmaxs。在一个实施例中，基于定子的转矩限制器512包括计算器。

基于转子的转矩限制器514根据可变的最大转子电流Irmax和可变的最大命令转子磁通Frcmax生成可变的基于转子的最大命令转矩Tcmaxr。在一个实施例中，基于转子的转矩限制器根据可变的最大转子电流Irmax和可变的最大命令转子磁通Frcmax的乘积设定可变的基于转子的最大命令转矩Tcmaxr。在一个实施例中，基于转子的转矩限制器514包括计算器。

最终转矩限制器516根据可变的基于转子的最大命令转矩Tcmaxr和可变的基于定子的最大命令转矩Tcmaxs生成可变的最大命令转矩Tcmax。在一个实施例中，最终转矩限制器516通过选择可变的基于转子的最大命令转矩Tcmaxr和可变的基于定子的最大命令转矩Tcmaxs之中的较小值，设定可变的基于转子的最大命令转矩Tcmax。例如，转矩能够通过定子磁通和定子电流或者被转子磁通和转子电流计算。比较两个转矩的计算结果并且挑选较小的一个为转矩限制，这是为了稳定的目的更保守的选择。在进一步的实施例中，可以选择两者之中较大的、两者的平均数或者两者的加权平均数。

图6示出图1和图3中转矩调节器108的实施例。在此实施例中，转矩调节器108包括比例积分(PI)控制器602。该PI控制器602将命令转矩Tc和估计转矩T之间的差作为输入。这个差，在PI控制器术语中的误差项，被示为命令转矩Tc为正的输入并且估计转矩T作为负的输入的求和电路606。求和电路606的输出产生转矩误差。转矩误差被路由到比例模块614和积分模块616，模块614产生与求和电路606输出成比例的因数(也就是与转矩误差成比例)，模块616产生与求和电路606输出的积分成比例的因数(也就是与转矩误差的积分成比例)。比例模块614的输出和积分模块616的输出被求和电路608加起来以产生PI控制器602的输出。

在图6所示的实施例中，转矩调节器108包括正反馈模块604。正反馈模块604包括求和电路610，其将PI控制器602的输出以及命令转子磁通Frc和转子的旋转速度Wr的乘积作为输入。正反馈求和电路610将投影到定子磁通参考系102中的横轴线上的命令定子电压Vqsc作为输出。在进一步的实施例中，PI控制器的输出求和电路608与正反馈模块604的正反馈求和电路610结合，作为三个输入的单个求和电路。

图7示出图1和3中转子磁通调节器110的实施例。在此实施例中，转子磁通调节器110包括比例积分导数(PID)控制器702，其将命令转子磁通Frc和估计转子磁通Fr作为输入，以及将投影到定子磁通参考系102中的纵轴线上的命令定子电压Vdsc作为输出。输入求和电路704具有命令转子磁通Frc作为正的输入以及估计转子磁通Fr作为负的输入。在这种磁通误差情况下，在PID控制器的术语中，输入求和电路704的输出产生误差项。磁通误差被路由到比例模块708、积分模块710和导数模块712，模块708产生与求和电路704输出成比例(也就是与磁通误差成比例)的项，积分模块710产生与求和电路704输出的积分成比例的项(也就是与磁通误差的积分成比例)，以及导数模块712产生与求和电路704输出的导数成比例的项(也就是与磁通误差的导数成比例)。比例模块708的输出、积分模块710的输出和导数模块712的输出被输出求和电路706加起来产生PID控制器702的输出，该输出是投影到定子磁通参考系102中的纵轴线上的命令定子电压Vdsc。

图8示出了估计转子磁通的方法的实施例。该方法可以在图1和图3至图7中所示的感应马达控制器的实施例中被实践。具体地，该方法可以在图4所示的磁通和转矩估计器的实施例及其变体中被实践。

从起始点，在动作802中，使用转子磁通电流模型，生成第一转子磁通矢量。例如，图4的转子磁通电流模型可以被用来根据在相电压参考系中表示的定子电流矢量Ixys和转子的旋转速度Wr，生成在相电压参考系中表达的估计转子磁通矢量Fxyr。

在动作804中，使用转子磁通电压模型，生成第二转子磁通矢量。例如，图4的转子磁通电压模型可以被用来根据在相电压参考系中表示的定子电压矢量Vxys、在相电压参考系中表示的定子电流矢量Ixys以及估计校正因子，生成在相电压参考系中表示的估计转子磁通矢量Fxyr0。

在动作806中，生成估计校正因子。例如，图4的估计器调节器可以被用来根据在相电压参考系中表示的估计转子磁通矢量Fxyr和在相电压参考系中表示的转子磁通矢量Fxyr0，生成估计校正因子。如进一步的例子，PI控制器可以被用来生成估计校正因子，如联系上面所讨论的关于图4的估计器调节器。在一个实施例中，PI控制器产生第一转子磁通矢量与第二转子磁通矢量之间的差值的积分。该PI控制器将与第一转子磁通矢量和第二转子磁通矢量之间的差值成比例的第一项和与第一转子磁通矢量和第二转子磁通矢量之间的差值的积分成比例的第二项求和。该估计校正因子作为求和的结果被生成。

在动作808中，估计校正因子被应用生成第二转子磁通矢量。例如，估计校正因子可以被包括作为图4所示的转子磁通电压模型的输入。

在动作810中，生成转子磁通量。例如，转子磁通量可以由图4的转子磁通量计算器根据第一转子磁通矢量(即，在相电压参考系中表示的估计转子磁通矢量Fxyr)生成。

在动作812中，生成定子磁通角。例如，定子磁通角可以根据在相电压参考系中表示的定子电流矢量Ixys和在相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量Fxyr0经由图4的定子磁通计算器和定子磁通角计算器产生。

在动作814中，生成转矩。例如，转矩可以根据在相电压参考系中表示的定子电流矢量Ixys和在相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量Fxyr0经由图4的定子磁通计算器和转矩计算器产生。

在动作816中，生成转子电流矢量。例如，在相电压参考系中表示的估计转子电流矢量Ixyr可以根据在相电压参考系中表示的第一转子磁通矢量Fxyr、在相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量Fxyr0和在相电压参考系中表示的定子电流矢量Ixys经由图4的定子磁通计算器和转子电流计算器生成。如进一步的例子，在定子磁通参考系中表示的估计转子电流矢量Idqr可以根据在相电压参考系中表示的估计转子电流矢量Ixyr生成，如上述产生的以及旋转通过图4的XY/DQ矢量旋转模块。

在动作816之后，到达结束点。在变体中，该方法持续性地操作，步骤并行地操作或者出现分支，等等。

本感应马达控制器的各种实施例，如参考图1至图8上面所述，具有一些或所有下面的特性和特征。转子磁通和转矩控制被转子磁通调节器回路和转矩调节器回路执行，而不是电流调节回路。该转子磁通调节器回路和转矩调节器回路在定子磁通参考系中被处理。在定子磁通参考系中的物理量被认定为“dq”，在定子固定参考系中的物理量被认定为“xy”。

磁通和转矩估计器后面跟着磁通和转矩限制器。磁通和转矩估计器的输入是感应的马达的相电、感应的或计算的相电压、和感应的马达速度。其输出是估计的转子磁通量、转矩大小、定子磁通角以及在“dq”参考系中的定子和转子回路电流。该定子磁通角，相对于定子固定参考系，被用来执行“dq”和“xy”之间的矢量旋转。

磁通和转矩限制器在与主回路的采样率相同的(或者低于主回路的)采样率下实时运行。磁通和转矩限制器确定最大的转矩命令以及最大的转子磁通量和最小的转子磁通量。该限制器块的设计基础是综合的马达物理模型，其将马达系统的操作限制定义为电池母线电压、感应的马达速度、和感应的逆变器以及马达的操作温度的函数。

磁通和转矩限制器的好处之一是定子电流和转子电流被单独限制。在直接转矩下(在DTC中)以及在转子磁通控制(在FOC中)调节器下，既不是定子电流也不是转子电流被直接调节。

磁通和转矩命令生成器在相同或低于主回路的采样率下，适应性的生成实时的磁通和转矩命令。

转子磁通调节器的好处之一是转子磁通一般包含比定子磁通和气隙磁通更低的谐波，从而改善控制精确度以及降低系统的抖动。除此之外，转子磁通的相位轻微的滞后于定子磁通和气隙磁通，这可能导致改进的系统稳定性和改进的峰值转矩包络限制。

在与定子磁通一致的参考系中处理主控制回路的好处之一是与计算转子磁通角相比，定子磁通角计算能够更加精确并且能够收敛的更快。

考虑上述实施例，应该理解，实施例可以采用各种计算机实施操作，其涉及存储在计算机系统中的数据。这些操作是要求物理量的物理操纵的操作。通常，尽管不必要，这些量采用电或磁信号的形式，其能够被存储、传输、结合、比较以及其他操作。进一步地，执行操作经常被明确指代，如产生、识别、确定或比较。形成实施例的部分的本文所述的任何操作是有用的机器操作。实施例也涉及执行这些操作的装置或设备。所述设备能够针对所需目的而被专门构建或者设备能够是通用计算机，其被存储在计算机中的计算机程序选择性激活或配置。具体地，各种通用机器能够与根据本文教导撰写的计算机程序连用，或者其可以帮助构建更专用的设备以执行所需操作。

实施例也能够体现为计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读介质是能够存储数据并且数据随后被计算机系统读取的任何数据存储装置。计算机可读介质的例子包括硬盘驱动器、网络附加存储装置(NAS)、只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带以及其他光学和非光学数据存储装置。计算机可读介质也能够分布在网络耦合的计算机系统上，从而计算机可读代码以分布式方式被储存和执行。本文所述实施例可以利用各种计算机系统结构实现，包括手持装置、平板计算机、微处理器系统、基于微处理器或可编程消费性电子产品、微型计算机、大型计算机等。实施例还能够在分布式计算环境中实现，其中任务由通过有线或无线网络链路的远程处理装置执行。

尽管以具体顺序描述了方法操作，应该理解，其他操作可以在所述操作之间执行，所述操作可以被调整，使得它们发生稍微不同的次数，或者所述操作可以分布在允许处理操作与处理相关的各种间隔发生的系统中。

出于解释目的，参考具体实施例描述前述描述。然而，上述示例性讨论并不旨在穷尽或将本发明限制到所公开的精确形式。对于上述教导，许多修改和变化是可能的。实施例被选择和描述以最好地解释实施例的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用实施例和各种修改以适用于所想到的具体用途。因此，本实施例视为示例性和非限制性的，并且本发明并不被限制到本文给出的细节，但是可以在所附权利要求的范围及其等同物内进行修改。

Claims (20)

1.一种转子磁通估计器，包括：

估计模块，其根据在相电压参考系中表示的定子电压矢量、转子的旋转速度以及在所述相电压参考系中表示的定子电流矢量，生成在相电压参考系中表示的第一转子磁通矢量和在所述相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量；

所述估计模块包括至少一个处理器；以及

所示估计模块包括转子磁通电流模型和转子磁通电压模型。

2.根据权利要求1所述的转子磁通估计器，还包括：

定子相电流参考系到相电压参考系的矢量旋转模块，其将至少两相的定子电流变换到在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量。

3.根据权利要求1所述的转子磁通估计器，还包括：

转子磁通量计算器，其根据所述第一转子磁通矢量计算估计转子磁通量。

4.根据权利要求1所述的转子磁通估计器，其中，所述转子磁通电流模型和所述转子磁通电压模型的应用是基于查找表的。

5.根据权利要求1所述的转子磁通估计器，其中，所述转子磁通电流模型和所述转子磁通电压模型的应用是基于实时计算的。

6.根据权利要求1所述的转子磁通估计器，其中：

比例积分控制器即PI控制器根据所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量之间的差值形成误差项；以及

所述PI控制器的输出被应用为所述转子磁通电压模块的校正因子。

7.根据权利要求1所述的转子磁通估计器，其中，所述转子磁通电流模型和所述转子磁通电压模型在所述第二转子磁通矢量的产生中与调节器合作。

8.一种转子磁通估计器，包括：

第一模块，其经由应用转子磁通电流模型，根据在相电压参考系中表示的定子电流矢量和转子的旋转速度，生成在所述相电压参考系中表示的第一转子磁通矢量；

第二模块，其经由应用转子磁通电压模型，根据在所述相电压参考系中表示的定子电压矢量、在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量以及估计校正因子，生成在所述相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量；和

估计器调节器，其根据在所述相电压参考系中表示的所述第一转子磁通矢量和在所述相电压参考系中表示的所述第二转子磁通矢量，生成所述估计校正因子，其中，来自包括所述第一模块、所述第二模块和所述估计器调节器的组中的至少一个包括处理器。

9.根据权利要求8所述的转子磁通估计器，其中：

所述估计器调节器包括比例积分控制器即PI控制器，其将所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量作为输入；以及

所述PI控制器将所述估计校正因子作为输出。

10.根据权利要求8所述的转子磁通估计器，其中所述估计器调节器包括：

差值模块，其生成所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量之间的差值；

比例模块，其生成与所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量之间的所述差值成比例的第一项；以及

积分模块，其生成与所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量之间的所述差值的积分成比例的第二项；以及

求和模块，其生成所述估计校正因子作为所述第一项和所述第二项的和。

11.根据权利要求8所述的转子磁通估计器，还包括：

转子磁通量计算器，其接收所述第一转子磁通矢量并基于查找表或实时计算生成估计转子磁通量。

12.根据权利要求8所述的转子磁通估计器，还包括：

定子磁通计算器，其根据在所述相电压参考系中表示的所述第二转子磁通矢量和在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量，生成在所述相电压参考系中表示的定子磁通矢量；以及

转子电流计算器，其根据在所述相电压参考系中表示的所述第一转子磁通矢量和在所述相电压参考系中表示的所述定子磁通矢量，生成在所述相电压参考系中表示的转子电流矢量。

13.根据权利要求8所述的转子磁通估计器，还包括：

定子磁通计算器，其根据在所述相电压参考系中表示的所述第二转子磁通矢量和在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量，生成在所述相电压参考系中表示的定子磁通矢量，所述定子磁通计算器包括感应马达的绕组的电感模型。

14.根据权利要求8所述的转子磁通估计器，还包括：

定子磁通计算器，其根据在所述相电压参考系中表示的所述第二转子磁通矢量和在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量，生成在所述相电压参考系中表示的定子磁通矢量；以及

转矩计算器，其根据在所述相电压参考系中表示的所述定子磁通矢量和在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量，生成估计转矩。

15.根据权利要求8所述的转子磁通估计器，还包括：

定子磁通计算器，其根据在所述相电压参考系中表示的所述第二转子磁通矢量和在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量，生成在所述相电压参考系中表示的定子磁通矢量；以及

定子磁通角计算器，其根据在所述相电压参考系中表示的所述定子磁通矢量，生成估计定子磁通角。

16.一种估计转子磁通的方法，包括：

根据在相电压参考系中表示的定子电流矢量和转子的旋转速度，经由应用转子磁通电流模型，产生在所述相电压参考系中表示的第一转子磁通矢量；

根据在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量、在所述相电压参考系中表示的定子电压矢量以及估计校正因子，经由应用转子磁通电压模型，产生在所述相电压参考系中表示的第二转子磁通矢量；以及

根据所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量之间的差值，产生所述估计校正因子，其中，至少一个方法操作是通过处理器执行的。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，产生所述估计校正因子包括：

产生所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量之间的所述差值的积分；以及

将与所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量之间的所述差值成比例的第一项和与所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量之间的所述差值的所述积分成比例的第二项求和。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括：

根据所述第一转子磁通矢量产生转子磁通量；以及

根据在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量和所述第二转子磁通矢量产生定子磁通角。

19.根据权利要求16所述的方法，还包括：

根据在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量和所述第二转子磁通矢量产生转矩。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括：

根据在所述相电压参考系中表示的所述定子电流矢量、所述第一转子磁通矢量和所述第二转子磁通矢量产生转子电流矢量。