CN105720883A - 用于自动调谐电机电流调节器的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在一个示例性实施例中，马达控制单元包括处理器，所述处理器被配置为用于调谐电流调节器，所述电流调节器通过下述步骤调节提供至电动马达的电流：确定多个变量，所述多个变量包括定子电阻值、第一电感值和第二电感值，定子电阻值是电动马达的定子的电阻值，第一电感值是电动马达的直轴电感，并且第二电感值是电动马达的交轴电感。处理器进一步配置为通过下述步骤调谐电流调节器：基于所确定的多个变量确定多个增益，并且基于所确定的多个增益生成用于使电动马达运转的电流命令。

Description

用于自动调谐电机电流调节器的方法和设备

技术领域

示例性实施例涉及用于自动调谐用在电机中的电流调节器的增益的系统和方法。

背景技术

必须针对每个电机对向电机提供电流的电流调节器进行调谐。电流调节器的调谐涉及确定一组参数，诸如定子电阻、直轴(d轴)电感和交轴(q轴)电感。未知这些参数时，调谐电流调节器的过程是困难的，并且倾向于导致不准确的测量结果。

估算这些参数的现有的解决方案包括：提供单个测试点以用于估算定子电阻；和在确定感应参数时施加固定脉冲作为电压波形。此外，现有解决方案不提供用于控制电机的马达的调谐切换频率。

发明内容

一些实施例涉及用于自动调谐电流调节器的增益参数的方法和设备。

在一个示例性实施例中，马达控制单元包括处理器，所述处理器被配置为用于调谐电流调节器，所述电流调节器通过下述步骤调节提供至电动马达的的电流：确定多个变量，所述多个变量包括定子电阻值、第一电感值和第二电感值，定子电阻值是电动马达的定子的电阻值，第一电感值是电动马达的直轴电感，并且第二电感值是电动马达的交轴电感。处理器进一步配置为通过下述步骤调谐电流调节器：基于所确定的多个变量确定多个增益，并且基于所确定的多个增益生成用于使电动马达运转的电流命令。

附图说明

将根据与附图结合的下文的详细描述更清楚地理解示例性实施例。图1-4表示如本文中所述的非限制性的、示例性实施例。

图1是根据示例性实施例的电机的方块图。

图2图示了图1的根据示例性实施例的电机的控制器的部件；

图3是流程图，图示了根据示例性实施例的图1的电机的电流调节器的自动调谐增益的方法；并且

图4图示了根据示例性实施例的图1的电机的电动马达的切换频率的表格的示例。

具体实施方式

现在将参照图示一些示例性实施例的附图更充分地描述一些示例性实施例。

因此，尽管能够对示例性实施例进行各种修改并且形成可替换形式，但是附图通过示例的方法示出所述实施例并且本文将详细描述所述实施例。然而，应该理解，不旨在将示例性实施例限制到公开的具体形式，而是相反，示例性实施例将覆盖落入权利要求的范围内的所有的修改例、等同例和供选例。在对附图的所有描述中，相同的数字指示相同的元件。

将理解，虽然在本文中术语第一、第二等可以用于描述各种元件，但是这些术语不应该限制这些元件。这些术语仅用于区别一个元件与另一元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且，类似地，第二元件可以被称为第一元件，这没有脱离示例性实施例的范围。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项目的任意结合和所有结合。

将理解，当元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，其可以直接连接或联接到另一元件或可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，则不存在中间元件。应该以相同方式理解用于描述元件之间的关系的其它措辞。

本文中使用的术语仅为了描述具体的实施例并且不旨在限制示例性实施例。如本文所用，单数形式“a”、“an”和“the”旨在同样包括复数形式，除非上下文以其他方式明确表示。将进一步理解，当在本文中使用术语“包括”、“包括”、“包含”和/或“包含”时，指出存在规定的部件、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但是不排除存在或增加一个或多个其它的部件、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组群。

还应该注意，说明的功能/作用可以以一些可替换的实现方式不按照图中图示的次序出现。例如，实际上可以大致同时执行或有时可以以相反次序执行连续示出的两个图，这取决于涉及的功能/作用。

除非另有规定，否则本文中使用的所有术语具有的意义与示例性实施例属于的技术领域中的人员通常理解的意义相同。将进一步理解，例如限定在通常使用的字典中的那些术语应该理解成具有的意义与其在相关技术的内容中的意义一致，而不应理解成理想化的意义或过度正式的意义，除非本文中明确地如此限定。

示例性实施例的部分和对应的详细描述呈现在软件、或对计算机存储器中的数据位的操作的算法和符号表示方面。这些描述和表示是本领域的技术人员向本领域的其他技术人员有效表达其工作的实质的方式。算法，作为本文使用的术语，并且如其被通常使用的那样，被认为是通向结果的一序列有条理的步骤。该步骤对物理量进行要求的物理操纵。通常，虽然不一定，这些物理量采取能够被存储、传送、组合、比较、和以其他方式操纵的光信号、电信号、或磁信号的形式。主要由于普遍使用的原因，有时方便地将这些信号称为位、值、要素、符号、字符、术语、数字等。

在以下描述中，将参照可以执行为实现具体任务或采用具体的抽象数据类型的、包括例行程序、程序、目标、成分、数据结构等的程序模块或功能性过程并且可以使用现有的硬件执行的操作的作用和符号表示来描述说明性实施例。该现有硬件可以包括一个或多个中央处理器(CPUs)、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列(FPGAs)、计算机等。

然而，应该明白，所有的这些术语和类似的术语将与适当的物理量相关并且仅是应用于这些物理量的方便的符号。除非以其他方式具体地规定，或如从讨论所显而易见的。诸如“处理”或“计算”或“估算”或“确定”或“显示”等术语指操作指的是计算机系统或类似的电子计算装置的动作和过程，该动作和过程对计算机系统的寄存器和存储器中的物理、电子量的数据进行操作和转换成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它的这种信息的存储、传送或显示装置中的物理量，。

还注意到执行示例性实施例的方面的软件通常被编码在一些形式的实体存储介质上或通过一些类型的传送介质来执行。有形存储介质可以是磁的(例如，软盘或硬盘)或光的(例如，光盘只读存储器)，并且可以只读的或随机存取的。类似地，传送介质可以是绞合线对、同轴电缆、光纤、或技术人员已知的一些其它适当的传送介质。示例性实施例不受任何规定的实现方式的这些方面的限制。

一些实施例涉及用于自动调谐电流调节器的增益参数的方法和设备。

在一个示例性实施例中，马达控制单元包括处理器，所述处理器被配置为用于调谐电流调节器，所述电流调节器通过下述步骤调节提供至电动马达的的电流：确定多个变量，所述多个变量包括定子电阻值、第一电感值和第二电感值，定子电阻值是电动马达的定子的电阻值，第一电感值是电动马达的直轴电感，并且第二电感值是电动马达的交轴电感。处理器进一步配置为通过下述步骤调谐电流调节器：基于所确定的多个变量确定多个增益，并且基于所确定的多个增益生成用于使电动马达运转的电流命令。

在还一示例性实施例中，处理器被配置为通过以下步骤确定定子电阻值：确定定子在电动马达的速度为零并且流过电动马达的电流为正时的第一电阻值，确定定子在电动马达的速度为零并且流过电动马达的电流为负时的第二电阻值，和将第一电阻值和第二电阻值平均以获得定子电阻值。

在还一示例性实施例中，处理器被配置为通过以下步骤确定第一电感值：确定流过电动马达的直轴电流的量相对于基准点在下限和上限之间变化的时间，和基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、以及直轴电流的量的变化确定第一电感值。

在还一示例性实施例中，处理器被配置为基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、直轴电流的量的变化和所确定的定子电阻确定第一电感值。

在还一示例性实施例中，处理器被配置为通过以下步骤确定第二电感值：确定流过电动马达的交轴电流的量相对于基准点在下限和上限之间变化的时间，和基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、以及交轴电流的量值的变化确定第二电感值。

在还一示例性实施例中，处理器被配置为基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、交轴电流的量的变化和所确定的定子电阻确定第二电感值。

在还一示例性实施例中，处理器被配置为通过以下步骤确定多个增益：确定与电动马达速度相关联的多个切换频率，和基于所确定的定子电阻值确定有效电阻值。针对所述多个切换频率中的每一个：基于所确定的第一电感值和第二电感值确定第一比例增益和第二比例增益，以及基于第一比例增益和第二比例增益中的相应的一个、所确定的有效电阳和所确定的定子电阻值确定第一积分增益和第二积分增益。

在还一示例性实施例中，处理器被进一步配置为：在所述多个切换频率中的每个切换频率，通过使用所确定的多个增益中的对应的增益来确定电流调节器是否满足性能要求；以及，对于所确定的多个切换频率中的每个切换频率，基于电流调节器是否满足性能要求来调节所确定的多个增益中的所述对应的增益。

在还一示例性实施例中，处理器通过以下步骤确定电流调节器是否满足性能要求：确定所生成的电流命令的直轴电流命令和电动马达的实际直轴电流之间的第一比，确定所生成的电流命令的交轴电流命令和电动马达的实际交轴电流之间的第二比，以及如果第一比和第二比在阈值范围内，则确定电流调节器满足性能标准。

在还一示例性实施例中，处理器被进一步配置为向逆变器提供所生成的电流命令，所述逆变器将该电流命令转换成三相电压以用于使所述电动马达运转。

在一个示例性实施例中，所述电流调节器调节提供至电动马达的电流，所述方法包括确定多个变量，所述多个变量包括定子电阻值、第一电感值和第二电感值，所述定子电阻值是电动马达的定子相的电阻值，第一电感值是电动马达的直轴电感，并且第二电感值是电动马达的交轴电感。方法进一步包括：基于所确定的多个变量确定多个增益；和基于所确定的多个增益生成用于操作电动马达的电流命令。

在还一示例性实施例中，确定多个变量的步骤通过以下步骤来确定定子电阻值：确定定子在电动马达的速度为零并且流过电动马达的电流为正时的第一电阻值，确定定子在电动马达的速度为零并且流过电动马达的电流为负时的第二电阻值，和将第一电阻值和第二电阻值平均以获得定子电阻值。

在还一示例性实施例中，确定多个变量的步骤通过以下步骤确定第一电感值：确定流过电动马达的直轴电流的量相对于基准点在下限和上限之间变化的时间，和基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、以及直轴电流的量的变化确定第一电感值。

在还一示例性实施例中，确定多个变量的步骤基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、直轴电流的量的变化和所确定的定子电阻确定第一电感值。

在还一示例性实施例中，确定多个变量的步骤通过以下步骤确定第二电感值：确定流过电动马达的交轴电流的量相对于基准点在下限和上限之间变化的时间，和基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、以及交轴电流的量值的变化确定第二电感值。

在还一示例性实施例中，确定多个变量的步骤基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、交轴电流的量的变化和所确定的定子电阻确定第二电感值。

在还一示例性实施例中，确定多个增益的步骤包括：确定与电动马达速度相关联的多个切换频率，和基于所确定的定子电阻值确定有效电阻值。对多个增益的确定进一步地包括，针对所述多个切换频率中的每一个：基于所确定的第一电感值和第二电感值确定第一比例增益和第二比例增益，以及基于第一比例增益和第二比例增益中的相应的一个、所确定的有效电阻和所确定的定子电阻值确定第一积分增益和第二积分增益。

在还一示例性实施例中，方法进一步包括：在所述多个切换频率中的每个切换频率，通过使用所确定的多个增益中的对应的增益来确定电流调节器是否满足性能要求；以及对于所确定的多个切换频率中的每个切换频率，基于电流调节器是否满足性能要求来调节所确定的多个增益中的所述对应的增益。

在还一示例性实施例中，确定电流调节器是否满足性能要求的步骤包括以下步骤：确定所生成的电流命令的直轴电流命令和电动马达的实际直轴电流之间的第一比，确定所生成的电流命令的交轴电流命令和电动马达的实际交轴电流之间的第二比，以及如果第一比和第二比在阈值范围内，则确定电流调节器满足性能标准。

在还一示例性实施例中，方法进一步包括：向逆变器提供所生成的电流命令，所述逆变器将该电流命令转换成三相电压以用于使所述电动马达运转。

图1是根据示例性实施例的电机的方块图。如图1所示，电机100包括控制器101、逆变器102、电动马达103和传感器104。

控制器101包括存储器101-1和处理器101-2。在一个示例性实施例中，存储器101-1已经在其上存储了一组计算机可读指令，以用于执行增益的自动调谐，所述增益调节电流命令(在下文可以称为电流调节器增益)以用于向电动马达103提供电压，如将在下文进一步参照图2所述。处理器101-2可以执行存储在存储器101-1上的计算机可读指令，因而成为执行电流调节器增益的自动调谐的专用计算机。

控制器101可以调节提供到电动马达103的电流和电压。控制器101可以基于一组控制命令(例如，电动马达103的期望速度)、电动马达103的参数(诸如为速度、电流、位置、温度等)的一组测量值来调节电流和电压。测量值可以包括噪声测量值、采样测量值、量化测量值等，所述测量值可以经由传感器104获得。

在一个示例性实施例中，控制器101可以被嵌入逆变器102中。

图2图示了根据示例性实施例的图1的电机的控制器的部件。在一个示例性实施例中，控制器101可以是交流(AC)同步速度控制器，所述交流同步速度控制器具有外部控制回路201和内部控制回路202。

外部控制回路201可以接收控制命令(例如，马达103的期望速度、位置和加速度命令等)、系统限制(例如，转矩限制)和测量值(诸如，电动马达103的速度、电动马达103的总线电压等，其也可以被称为电动马达103的实际速度)作为输入。作为输出，外部控制回路201可以生成转矩/电流命令，以用于控制电动马达103的速度，这些命令作为输入被进送到内部控制回路202。

内部控制回路202可以将以下各项作为输入接收：来自外部控制回路201的生成的转矩/电流命令、电机100的电流限制(其可通过电机100的设计确定/规定)和传感器104的测量值输入中的一些，诸如电动马达103的电流和位置。内部控制回路102的输出可以是作为输入提供到逆变器102的电压。总的来说，控制器101将输入命令调节成驱动电动马达103的交轴(q-轴)电流命令和直轴(d-轴)电流命令。

内部控制回路202可以称为电流调节器，所述电流调节器可能需要调谐。上述电流调节器增益指的是内部控制回路202的增益。电流调节器202可以是任何类型的比例积分(PI)控制器和/或任何类型的比例积分微分(PID)。该调谐可以确定各种增益的值，在转矩/电流命令被送入逆变器102之前，转矩/电流命令通过这些增益调节。电流调节器202的调谐可以通过一组复杂方程控制，这在本领域是已知的。电流调节器的手动调谐可能是比较麻烦的或由于误差原因而可能需要重复执行。因此并且如参照图3所述，示例性的实施例提供了用于确定/调节一组增益的方法和系统，所述一组增益被用于调谐电流调节器202。

在一个示例性实施例中，逆变器102可以将来自两相数据表示的直轴电流和交轴电流/转矩命令转换成三相电压表示(例如，三相电压表示，诸如va*、vb*和vc*)，以用于电动马达103的控制。三相电压va*、vb*和vc*可以被称为逆变器路端电压(terminalvoltage)。逆变器102的输出级(例如，输出路端电压va、vb和vc)可以提供脉宽调制的电压波形或其它电压信号，以用于电动马达103的控制。在示例性的实施例中，逆变器102由直流(dc)电压总线供电。

逆变器102可以包括半导体驱动电路，所述半导体驱动电路驱动或控制开关半导体(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或其它功率晶体管)，以输出用于电动马达103的控制信号。

电动马达103可以是同步交流(AC)马达，包括但是不限于：无励磁绕组马达、磁阻马达、磁滞马达、永磁马达和直流励磁马达。在一个示例性实施例中，电动马达103可以是异步马达，诸如感应马达。

电动马达103可以与一个或多个传感器104进一步相关联(例如，位置传感器、变压器或编码器位置传感器)，这些传感器与电动马达103的马达轴或转子相关联。传感器(或多个传感器)104可以联接到电动马达控制器101，例如以提供反馈数据(例如，电流反馈数据，诸如相电流值I_A、I_B和I_C)、原始位置信号、以及其他可能的反馈数据或信号。其它可能的反馈数据包括，但是不限于：线圈温度读数、逆变器102的半导体温度读数、三相电压数据、用于电动马达103的其它热信息或性能信息、电动马达103的马达轴的角位置、电动马达103的马达轴的速度或速率、以及电动马达103的马达轴的转动方向。一个或多个传感器104可以安装在电动马达103的马达轴上或与所述马达轴集成起来。一个或多个传感器104的输出可以被进送返回到控制器101。

在示例性实施例中，一个或多个传感器104可以联接到模数转换器(未示出)，所述模数转换器将模拟原始座标或速度数据分别地转换成数字式原始位置或速度数据，以被输入控制器101中。

如上所述，电动马达控制器101的内部回路202是电流调节器，所述电流调节器要求调谐并且具有决定该调谐的一组复杂方程。尽管没有必要深度地讨论决定电流调节器202的调谐的方程，如已知的那样，具有待调谐的四种类型的增益(所述增益也可以被称为额定增益或公称增益(nominalgains))。

这些四个类型的增益被分成比例增益和积分增益两组，即比例直轴增益(K_pd)、比例交轴增益(K_pq)、积分直轴增益(K_id)和积分交轴增益(K_iq)。除了这些四个增益，示例性实施例还提供确定用于控制电动马达103的切换频率的方法，这将参照图3进一步描述。

为了确定上述提到的四个额定增益，一组参数应该被估算。这一组参数包括电动马达103的定子电阻、直轴电感和交轴电感。

图3是流程图，描述了根据一个示例性实施例的用于调谐电流调节器增益的方法。更具体地，通过执行图3描述的功能，电动马达控制器101，经由处理器101-2，确定所述一组参数和切换频率，并且随后基于确定的该组参数和确定的切换频率调谐四个提到的增益。

在S300处，处理器101-2确定电动马达103的定子电阻(例如，电动马达103的每个相位定子电阻)。在一个示例性实施例中，处理器101-2按照下面的方式确定定子的电阻。

在一个示例性实施例中，电动马达103的直轴电压由下式决定：

$v_d\left(t\right)=i_d\left(t\right)*r_s+L_d*\frac{{\mathrm{di}}_d\left(t\right)}{dt}-{\mathrm{\ω}}_e\left(t\right)*i_q\left(t\right)*L_q\mathrm{...}\left(1\right)$

其中，分别地，v_d是直轴电压，i_d是直轴电流，r_s是定子的电阻，L_d是直轴电感，ω_e是电动马达103的角速度，i_q和L_q是交轴电流值和电感值。

在一个示例性实施例中，如果电动马达103的速度是零，则角速度ω_e是零。如果直轴电流i_d是恒定的，则i_d的变化率是零，则将方程(1)简化为：

v_d＝i_d*r_s…(2)

因此，r_s的值可以由方程(2)确定。然而，从v_d和i_d的单点测量值确定r_s被证明可能是不充分的，因为该测量值可能对于电流转换器的偏离量、用在电动马达控制器101、逆变器102和一个或多个传感器104中的IGBT和二极管的压降是敏感的。

因此，在一个示例性实施例中，多个电压和电流测量值可以被生成并且可以确定所产生的斜率，所述斜率表示定子电阻r_s的估算值。可以根据以下方程确定所产生的斜率，假设两组测量值：

${\hat{r}}_s=\frac{{\mathrm{\Δv}}_d}{{\mathrm{\Δi}}_d}=\frac{v_{d2}-v_{d1}}{i_{d2}-i_{d1}}\mathrm{...}\left(3\right)$

其中，表示定子电阻的平均值，Δv_d是两个测得电压值之间的差值，Δi_d是两个测得电流值之间的差值。

在一个示例性实施例中，方程(3)可以针对正电流应用依次并针对负电流应用一次，并且针对正电流和负电流所产生的r_s值可以被平均以产生一致的和精确的定子电阻估算值。

一旦处理器101-2确定定子的电阻，则在S310处，处理器101-2确定直轴电感。在一个示例性实施例中，处理器101-2按照下文所述的方式确定直轴电感。

直轴电感可以由上述方程(1)确定。响应直轴电压中的阶跃变化(stepchange)的精确电流是指数响应(假定针对电动马达103为零速度)。然而，由于阶跃变化导致的电流的初始上升/下降可接近于直线。因此，通过注入具有相对于电阻/电感时间常数而言较高的频率的方波电压，可以生成近似三角形电流，所述近似三角形电流在滞后控制器(hystereticcontroller)的最小极限和最大极限之间改变。该注入方法可以表现电流在设定点/基准点(例如，零)附近的滞后控制。在一个示例性实施例中，为零的设定点可导致定子的电阻两端的零压降，并且因而在估算直轴电感时，方程(1)中的i_d(t)*r_s可以被忽略。

因此，基于方程(1)，直轴电感可以被确定为：

${\hat{L}}_d=\frac{\mathrm{\Δ}t*v_d}{{\mathrm{\Δi}}_d}\mathrm{...}\left(4\right)$

其中，Δt是电流在三角波中的最小值到最大值之间变化所需的时间，并且Δi_d是电流在规定电压命令v_d下的滞后控制器的最小极限和最大极限之间的变化量。

已知电动马达的电感由于饱和而随着电流的量(magnitude)变化，并且已知纯直轴电流导致被施加到电动马达103的零转矩。由于直轴电流导致零转矩，因此设定点可以从零移开，而不会使电动马达103转动。然而，非零基准点在电动马达的电阻两端引入平均压降，所述平均压降可以在估算直轴电感中被补偿。

因此，在一个示例性实施例中，当确定直轴电感时，方程(4)可以被修改如下：

${\hat{L}}_d=\frac{\mathrm{\Δ}t*(v_d-r_s*i_{d-avg})}{{\mathrm{\Δi}}_d}\mathrm{...}\left(5\right)$

其中，Δt，Δi_d，v_d和r_s如上所述，并且i_d-avg是与电动马达103的电阻两端的压降相关联的电流(例如，r_s*i_d-avg＝电动马达103’的电阻两端的压降)。在一个示例性实施例中，当确定直轴电感时，在步骤S300中确定的r_s可以用在方程(5)中。

在一个示例性实施例中，可以针对各种平均电流设定点确定直轴电感，并且因此，在直轴电流的整个变化中可以确定直轴电感。

在S320处，处理器101-2可以通过使用设定点周围的电流的滞后控制，以与直轴电感完全相同的方式确定交轴电感。在一个示例性实施例中，处理器101-2可以如下确定交轴电感。

在一个示例性实施例中，决定电动马达的交轴基准电压的方程可以由下式表示：

$v_q\left(t\right)=i_q\left(t\right)*r_s+L_q*\frac{{\mathrm{di}}_q\left(t\right)}{dt}+{\mathrm{\ω}}_e\left(t\right)({\mathrm{\λ}}_f+i_d(t)*L_d)\mathrm{...}\left(6\right)$

其中，分别地，v_q是交轴基准电压，i_q是交轴电流，r_s是定子电阻，L_q是交轴电感，ω_e是电动马达103的角速度，λ_f是由电动马达103的转子感生的磁通的振幅，i_d和L_d是交轴电流和电感值。

关于交轴电感的估算，交轴电感产生转矩并且因而该转矩通过物理地锁定电动马达103并防止电动马达103转动(例如，使用锁销(ranch)或任意其它工具以手动地防止马达转动)的方式而被考虑。在零平均电流处，电动马达103的转动导致电动马达103的振荡，并且交轴电感的确定可以通过假定零平均电流的方式确定。

在零平均电流的情况下，第一项i_q(t)*r_s由于等于零而可以被忽略。由于马达的速度可以被忽略，因而项ω_e(t)(λ_f+i_d(t)*L_d)也等于零并且可以被忽略(即，马达正在振荡并且不转动，因此其角速度可以被认为是零)。因此，用于确定交轴电感估算值的方程(6)的简化版本可以如下：

${\hat{L}}_q=\frac{\mathrm{\Δ}t*v_q}{{\mathrm{\Δi}}_q}\mathrm{...}\left(7\right)$

在已经确定定子电阻、直轴电感和交轴电感的估算值的情况下，处理器101-2可以确定上文所述的四个增益。

确定四个增益的初始步骤是针对电动马达103的不同速度范围确定切换频率。不同的切换频率中的每一个可对应于电动马达103的不同速度范围。在S330中，处理器101-2确定切换频率。

在一个示例性实施例中，处理器101-2基于电动马达103的最小切换频率和电动马达103的交叉基频确定切换频率。最小切换频率和交叉基频可以是电动马达103的制造商规定的设计参数。最小切换频率可以基于马达的直轴电感和交轴电感。

图4图示了根据示例性实施例的图1的电机的电动马达的切换频率的表格的示例。在图4示出的示例性实施例中，针对每个阶段确定一个切换频率，其中每个阶段对应于电动马达103的(例如，以转数每分钟(RPM)表示的)不同速度范围。如图4的表格所示，电动马达的整个速度范围被分成10个不同的子范围。例如，阶段0可对应于0-1000RPM的速度范围，阶段1可对应于1001-2000RPM的速度范围，等等。然而，子范围的数量不限于图4所示的那些，并且电动马达103的速度范围可以被分成任意数量的子范围。电动马达103的速度范围可以被分成具有相同或不同长度的子范围(例如，与其他子范围相比，其中一个子范围可以覆盖更长的范围)。

此外，每个阶段都可以具有相关联的基频。在一个示例性实施例中，每个阶段的基频可以基于电动马达103在该阶段的最高速度以被确定。例如，如果阶段0对应于0-1000RPM的速度范围，则阶段0的基频可以基于电动马达103的1000RPM速度确定。

在一个示例性实施例中，马达的速度(以RPM为单位)可以由下式表示：

ω＝2*60*f/n…(8)

其中，ω是马达的速度，f是基频，并且n是电动马达103的电极数(numberofpoles)。电动马达103可以具有不同的电极数，诸如2、4等。

因此，对于每个子范围或阶段中的最高速度，基频f可通过方程(8)确定。

在已经针对每个阶段确定基频的情况下，用于每个阶段的切换频率被确定，使得在基频和切换频率之间能够观察到至少1比10的比率(或在一些示例中，至少1比15的比率)。例如，在图4示出的表格中，阶段0的基频被确定为50Hz，并且因此，阶段0的切换频率被确定为基频的至少10倍(2kHz是50Hz的基频的至少10倍)。

如上所述，每个电动马达都可以具有最小切换频率和交叉基频。在图4示出的示例性实施例中，假设最小切换频率和交叉基频分别是2kHz和300Hz。

对于任何规定的阶段而言，如果确定的切换频率小于电动马达的最小切换频率，则电动马达的最小切换频率将被使用，而不是确定的切换频率。因此，未针对阶段0至9中的任一个，小于2kHz的对应切换频率将用于图4示出的示例性实施例中。

在图4示出的示例性实施例中并且如上所述，确定的切换频率可以被确定为1kHz，1kHz仍然至少是阶段0的基频的至少10倍(即，1kHz是50Hz的至少10倍)。然而，由于确定的切换频率小于电动马达的最小切换频率(即，1kHz＜2kHz)，则2kHz的最小切换频率被替代地使用。

此外，用于相对于每个阶段的基频确定切换频率的上述关系被观察，直到用于规定阶段的基频至少等于电动马达的基频。随后，基频每增加100Hz，对应的切换频率可以增加1kHz。

例如，在图4示出的表格中，在阶段1中的基频是300Hz，300Hz等于电动马达103的示例性的300Hz交叉基频。在阶段2中，350Hz的对应基频仅相对于阶段1增加50Hz，并且因此，如上所述，4.5kHz的对应切换频率被确定。然而，在阶段3中，对应基频是400Hz，400Hz超过阶段1的对应基频100Hz。因此，与阶段1相比，阶段3处的切换频率增加1kHz，到5kHz。类似地，在阶段4中，与阶段3相比，基频增加100Hz并且因此，与阶段3相比，对应切换频率也增加1kHz，到6kHz。

在切换频率的表格被确定之后，在S340中，处理器101-2确定电动马达103’的有效电阻。电动马达的有效电阻可以是电动马达103的虚拟的(而非实际的)电阻，所述有效电阻被电流调节器使用以在零速度附近改善电动马达的动态控制刚性。在一个示例性实施例中，该有效电阻可以在定子电阻r_s的5至10倍之间，定子电阻r_s被认为是电动马达的真实电阻。在一个示例性实施例中，有效电阻被确定为 $R_V=6*{\hat{r}}_S.$

在已经确定了一组参数(定子的电阻、直轴电感和交轴电感)、切换频率的表格和有效电阻的情况下，在S350中，处理器101-2可以按照下述方式确定四个增益(交轴比例增益和交轴积分增益、以及直轴比例增益和直轴积分增益)。

在S350中，处理器101-2可以针对不同阶段的每个切换频率确定接下来的5个值，如图4的表格所示。在一个示例性实施例中，处理器101-2使用来自图4的表格的用于每个基频的对应的确定的切换频率，并且确定对应的带宽BW。在一个示例性实施例中，处理器101-2可以按如下方式确定带宽BW：

BW＝f_sw/35…(9)

其中，f_sw是对应于每个切换频率的基频，例如如图4所示。

在一个示例性实施例中，处理器101-2判断被确定的BW是否大于最大阈值。最大阈值可以是一个设计参数。在一个示例性实施例中，该最大阈值可以是150Hz。如果确定的BW大于最大阈值，则该最大阈值的值被用作用于对应切换频率的BW值。如果确定的BW不大于最大阈值，则基于方程(9)确定的值将被使用。

一旦针对每个阶段确定了BW的值，则针对同一阶段，处理器101-2分别基于以下方程(7)-(10)确定四个增益(K_pq，K_pd，K_iq和K_id)。

$K_{pq}=2*\mathrm{\π}*BW*{\hat{L}}_q\mathrm{...}\left(10\right)$

$K_{pd}=2*\mathrm{\π}*BW*{\hat{L}}_d\mathrm{...}\left(11\right)$

$K_{iq}=K_{pq}*\frac{R_v+{\hat{r}}_s}{{\hat{L}}_q}=2*\mathrm{\π}*BW*(R_v+{\hat{r}}_s)\mathrm{...}\left(12\right)$

$K_{id}=K_{pd}*\frac{R_v+{\hat{r}}_s}{{\hat{L}}_d}=2*\mathrm{\π}*BW*(R_v+{\hat{r}}_s)\mathrm{...}\left(13\right)$

K_pq和K_pd可以被称为电流调节器202的比例增益，而k_iq和k_id可以被称为电流调节器202的积分增益。

在一个示例性实施例中，处理器101-2可以在存储器101-1中的表格中记录用于每个阶段所有的估算参数和所产生的增益。

在S360处，处理器101-2可以评估所确定的增益，以确定或判断一组规定的(和/或预定的)性能标准是否被满足。在一个示例性实施例中，并且为了做出该确定或判断，处理器101-2可以执行以下步骤。

首先，处理器101-2用于图4示出的表格中的每个切换频率的确定电流命令。处理器101-2在每个切换频率处确定直轴命令和交轴命令。对于每组交轴电流命令和直轴电流命令，处理器101-2接收电动马达103的一组实际的直轴和交轴电流命令。处理器101-2可以经由传感器104接收一组实际的直轴电流命令和交轴电流命令。

随后，处理器101-2可以确定被命令的直轴电流(I_d)和由传感器104测量的实际直轴电流I_d之间的比。类似地，处理器101-2可以确定被命令的交轴电流(I_q)和由传感器104测量的实际交轴电流I_q之间的比。

处理器101-2然后可以确定每个比是否处于规定的阈值区间内。在一个示例性实施例中，阈值区间可以被设置在0.9至1.1之间(例如，当以百分比表示时，90％至110％)。即，处理器101-2确定实际直轴电流I_d是否在被命令的直轴电流I_d的90％至110％内。类似地，处理器101-2可以确定实际交轴电流I_q是否在被命令的交轴电流I_q的90％至110％内。阈值区间不限于上述示例，并且可以是基于实证研究确定的可配置的变量。阈值可以另行选择，以指示实际直轴电流I_d与被命令的直轴I_d之间的差异的量，以及实际交轴I_q与被命令的交轴I_q的之间的差异的量。

如果这些比处于所述阈值区间中，则在S360中，处理器101-2确定性能标准被满足。随后，处理器101-2可以进至S380，并且使用所确定的增益调节被提供至逆变器102以及随后被提供至电动马达103的电流和电压。

然而，如果这些比中的任一个未落入所述阈值区间，则流程形进至S370，其中处理器101-2调节这些增益以将所述比下调至阈值区间中(例如，分别将实际直轴电流I_d值和实际交轴电流I_q值调节到被命令的直轴电流I_d和交轴电流I_q的90％至110％内)。处理器101-2可以按照下述方式调节增益。

针对每个确定的切换频率，未落入闽值区间中的实际直轴电流I_d和交轴电流I_q与对应的被命令的直轴电流I_d和交轴电流I_q之间的比可能是因为数个因素。一个因素可能是因为太多的电流波动。因此并且在一个示例性实施例中，处理器101-2可通过增加控制器101的对应的确定的切换频率来调节增益(切换频率可以被称为脉宽调制频率)。在一个示例性实施例中，控制器101的对应切换频率可以被增加，使得增加后的切换频率与每个阶段的基频之间的比从上文所述的10∶1或11∶1增加至13∶1或14∶1。基于增加后的切换频率，可以使用方程9-13来更新增益的值和BW。

另一因素可以是电动马达的稳定性。因此并且在一个示例性实施例中，处理器101-2可以通过减小最大带宽BW来调节增益，最大带宽BW在上述示例性实施例中被设置成150Hz。在一个示例性实施例中，最大带宽BW可以被减小一半(例如，最大带宽BW可以被设定为75Hz)。

一旦处理器101-2针对每个确定的切换频率调节带宽，则由方程10-13描述的增益可以因此而被调节。随后并且一旦调节增益，则处理器101-2可以进至步骤S380。在S380中，处理器101-2可以使用调节后的增益来调节提供至逆变器102以及随后提供至电动马达103的电流和电压。

在又一示例性实施例中，如上所述由101-2处理器确定的增益的性能评估，可以被独立地确定并且在控制器101外进行。

该独立的性能评估可如文所述。对于每个确定的切换频率，电流命令(电流的量和相应的角度)被确定，这导致用于电动马达103的最大马达转矩生成，同时，电动马达103的最大允许电流/电压极限未被超过。超过最大允许电流/电压极限可能损坏电动马达103。

其次，对于每个电流命令，处理器101-2评估电流调节器101的数个阶跃响应和稳态性能。在一个示例性实施例中，阶跃响应分析包括确定电动马达103的实际直轴电流I_d和实际交轴电流I_q如何密切跟随电流命令的变化。如果该跟随在规定的时间框架内(例如，规定的时间阈值)，则确定电动马达103对于在每个阶段通过使用所确定的增益调节的电流命令的阶跃响应是可接受的。

例如，通过使用如上所述确定的增益，控制器101可提供第一电流命令(例如，10A)至电机103。第一电流命令在电动马达103中产生被传感器104测量的实际直轴电流I_d值和实际交轴电流I_q值(例如，约-8A的实际直轴电流I_d，和约6A的实际交轴电流I_q)。

随后，通过使用如上所述确定的增益，控制器101可提供第二电流命令(例如，200A)至电机103。第二电流命令在电动马达103中产生被传感器104测量的实际直轴电流I_d值和实际交轴电流I_q值(例如，约-150A的实际直轴电流I_d和约80A的实际交轴电流I_q)。

如果实际直轴电流Id和实际交轴电流Iq中的每一个从其响应于第一电流命令的相应值到其响应于第二电流命令的相应值的变化在一段阈值时间内(例如，50ms)，则确定电动马达103的阶跃响应是可接受的。否则，确定的增益被调节，使得该变化在该段阈值时间内。该段阈值时间可以是基于实证研究确定的可配置的变量。

如上述讨论所述，对于每个确定的切换频率，电流命令被确定，这在电动马达103的电流/电压限制被观察到的同时，导致电动马达103中的最大转矩生成。还如上所述，存在数个可以被评估的阶跃响应。阶跃响应中的一个可以是对导致电动马达103中的生成的转矩在最大运动转矩(motoringtorque)的0％至95％之间改变的电流命令的响应。另一阶跃响应可以是对导致电动马达103中的生成的转矩在最大生成转矩的0％至95％之间改变的电流命令的响应。另一阶跃响应可以是对导致电动马达103中的生成的转矩在最大运动转矩的95％与最大生成转矩的95％之间变化的电流命令的响应。此外，另一阶跃响应可以是对导致电动马达103的生成的转矩在最大生成转矩的95％与最大运动转矩的95％之间改变的电流命令的响应，以。

对于上述阶跃响应中的每一个，与上述示例性实施例中描述的第一电流命令和第二电流命令类似的第一电流命令和第二电流命令可以被提供，并且电动马达103的实际直轴电流I_d和实际交轴电流I_q可以被观察，以(例如，基于上文所述的一段阈值时间)确定实际直轴电流I_d值和实际交轴电流I_q值的任何改变是否足够紧密地跟随被命令的直轴电流I_d值和被命令的交轴电流I_q值的改变。

除了评估的数个阶跃响应，电动马达103的稳态性能也可以被评估。在一个示例性实施例中，电动马达103的稳态性可以按照如下方式确定。

电流转换器可以用于在每个确定的切换频率评估电动马达103的稳态性能。评估的一个方法可以被称为平均三相电流法。根据该三相电流方法，机械绕组的三相电流(例如，I_A、I_B和I_C)中的每一个可以被测量，并且其平均值可以被获得。如果，对于每个确定的切换频率，平均值在电流命令的某个特定阈值范围内，则电流转换器确定电动马达103的稳态性能是可接受的。否则，调节所确定的增益，使得平均三相电流被调节落入电流命令的该特定阈值范围内。该特定阈值范围可以是可配置的设计参数，并且可以基于实证研究来确定。

可以被电流转换器利用的另一方法是电流失衡法(currentunbalancemethod)。根据电流失衡法，三相电流的最大值和最小值之间的差值被确定，并且所产生的差值除以三相电流的平均值。对于每个确定的切换频率，如果所产生的比，在命令电流的某个阈值范围(例如，1％、2％等)内，则确定电动马达103的稳态性能是可接受的。否则，所确定的增益被调节使得三相电流的最大值以及最小值之间的差值与三相电流的平均值之比落入该阈值范围内。该阈值范围可以是可配置的设计参数，并且可以基于实证研究确定。

在一个示例性实施例中并且作为另一方法，对于每个确定的切换频率，响应于用于生成100％的运动转矩和生成转矩的电流命令电动马达103的每个相位的总谐波失真(THD)和均方根(RMS)电流被测量。如果对于每个确定的切换频率，被测量的RMS电流和THD在被命令的电流的适当的阈值范围中(例如，在被命令的电流的1％和/或10％以内)，则确定电动马达103的稳态性能是可接受的。否则，所确定的增益可以被调节，使得被测量的RMS电流和THD落入指定的阈值范围内。该阈值范围可以是可配置的设计参数，并且可以基于实证研究确定。

示例性实施例如此被描述，明显的将是，可以以许多方式改变示例性实施例。该变化不被认为违反示例性实施例的精神和范围，并且对于本领域的技术人员明显的所有的这种修改旨在被包括在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种马达控制单元，包括：

处理器，所述处理器被配置为用于调谐电流调节器，所述电流调节器通过以下步骤调节提供至电动马达的电流：

确定多个变量，所述多个变量包括定子电阻值、第一电感值和第二电感值，所述定子电阻值是电动马达的定子相的电阻值，第一电感值是电动马达的直轴电感，并且第二电感值是电动马达的交轴电感；

基于所确定的多个变量确定多个增益；和

基于所确定的多个增益生成用于使电动马达运转的电流命令。

2.根据权利要求1所述的马达控制单元，其中，处理器被配置为通过以下步骤确定定子电阻值：

确定定子在电动马达的速度为零并且流过电动马达的电流为正时的第一电阻值，

确定定子在电动马达的速度为零并且流过电动马达的电流为负时的第二电阻值，和

将第一电阻值和第二电阻值平均以获得定子电阳值。

3.根据权利要求1所述的马达控制单元，其中，所述处理器被配置为通过以下步骤确定第一电感值：

确定流过电动马达的直轴电流的量相对于基准点在下限和上限之间变化的时间，和

基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、以及直轴电流的量的变化确定第一电感值。

4.根据权利要求3所述的马达控制单元，其中，所述处理器被配置为基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、直轴电流的量的变化和所确定的定子电阻确定第一电感值。

5.根据权利要求1所述的马达控制单元，其中，所述处理器被配置为通过以下步骤确定第二电感值：

确定流过电动马达的交轴电流的量相对于基准点在下限和上限之间变化的时间，和

基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、以及交轴电流的量值的变化确定第二电感值。

6.根据权利要求5所述的马达控制单元，其中，所述处理器被配置为基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、交轴电流的量的变化和所确定的定子电阻确定第二电感值。

7.根据权利要求1所述的马达控制单元，其中，所述处理器被配置为通过以下步骤确定所述多个增益：

确定与电动马达速度相关联的多个切换频率，

基于所确定的定子电阻值确定有效电阻值，

针对所述多个切换频率中的每一个：

基于所确定的第一电感值和第二电感值确定第一比例增益和第二比例增益，以及

基于第一比例增益和第二比例增益中的相应的一个、所确定的有效电阻和所确定的定子电阻值确定第一积分增益和第二积分增益。

8.根据权利要求7所述的马达控制单元，其中，所述处理器被进一步配置为：

在所述多个切换频率中的每个切换频率，通过使用所确定的多个增益中的对应的增益来确定电流调节器是否满足性能要求；以及

对于所确定的多个切换频率中的每个切换频率，基于电流调节器是否满足性能要求来调节所确定的多个增益中的所述对应的增益。

9.根据权利要求8所述的马达控制单元，其中，所述处理器通过以下步骤确定电流调节器是否满足性能要求：

确定所生成的电流命令的直轴电流命令和电动马达的实际直轴电流之间的第一比，

确定所生成的电流命令的交轴电流命令和电动马达的实际交轴电流之间的第二比，以及

如果第一比和第二比在阈值范围内，则确定电流调节器满足性能标准。

10.根据权利要求1所述的马达控制单元，其中，所述处理器被进一步配置为向逆变器提供所生成的电流命令，所述逆变器将该电流命令转换成三相电压以用于使所述电动马达运转。

11.一种调谐电流调节器的方法，所述电流调节器调节提供至电动马达的电流，所述方法包括下述步骤：

确定多个变量，所述多个变量包括定子电阻值、第一电感值和第二电感值，所述定子电阻值是电动马达的定子相的电阻值，第一电感值是电动马达的直轴电感，并且第二电感值是电动马达的交轴电感；

基于所确定的多个变量确定多个增益；和

基于所确定的多个增益生成用于操作电动马达的电流命令。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，确定多个变量的步骤通过以下步骤来确定定子电阻值：

确定定子在电动马达的速度为零并且流过电动马达的电流为正时的第一电阻值，

确定定子在电动马达的速度为零并且流过电动马达的电流为负时的第二电阻值，和

将第一电阻值和第二电阻值平均以获得定子电阻值。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，确定多个变量的步骤通过以下步骤确定第一电感值：

确定流过电动马达的直轴电流的量相对于基准点在下限和上限之间变化的时间，和

基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、以及直轴电流的量的变化确定第一电感值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，确定多个变量的步骤基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、直轴电流的量的变化和所确定的定子电阻确定第一电感值。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，确定多个变量的步骤通过以下步骤确定第二电感值：

确定流过电动马达的交轴电流的量相对于基准点在下限和上限之间变化的时间，和

基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、以及交轴电流的量值的变化确定第二电感值。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，确定多个变量的步骤基于所确定的时间、与设定基准点对应的电压值、交轴电流的量的变化和所确定的定子电阻确定第二电感值。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，确定多个增益的步骤包括以下步骤：

确定与电动马达速度相关联的多个切换频率，

基于所确定的定子电阻值确定有效电阻值，

针对所述多个切换频率中的每一个：

基于所确定的第一电感值和第二电感值确定第一比例增益和第二比例增益，以及

基于第一比例增益和第二比例增益中的相应的一个、所确定的有效电阻和所确定的定子电阻值确定第一积分增益和第二积分增益。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

在所述多个切换频率中的每个切换频率，通过使用所确定的多个增益中的对应的增益来确定电流调节器是否满足性能要求；以及

对于所确定的多个切换频率中的每个切换频率，基于电流调节器是否满足性能要求来调节所确定的多个增益中的所述对应的增益。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，确定电流调节器是否满足性能要求的步骤包括以下步骤：

确定所生成的电流命令的直轴电流命令和电动马达的实际直轴电流之间的第一比，

确定所生成的电流命令的交轴电流命令和电动马达的实际交轴电流之间的第二比，以及

如果第一比和第二比在阈值范围内，则确定电流调节器满足性能标准。

20.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：

向逆变器提供所生成的电流命令，所述逆变器将该电流命令转换成三相电压以用于使所述电动马达运转。