CN106685304A - 使用查找表优化电动马达的再生制动控制 - Google Patents

使用查找表优化电动马达的再生制动控制 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种使用查找表优化电动马达的再生制动控制。用于AC马达(M)的再生制动控制器。为了确定用于减慢或停止马达的电磁转矩，再生制动控制器(220)访问查找表(24r)，以检索对应于转子速度的当前估计的制动转矩值。所检索的制动转矩可以对应于在其处当前转子速度下将发生再生制动的最大或最小转矩水平，或对应于在其处在再生制动期间充电电流最大化的转矩水平。如果存在外部机械制动器(259)，则再生制动控制器能够将外部制动转矩信号转发到控制器(245)，使得机械制动器(259)能够施加除了由再生制动转矩指示的之外的剩余的制动力。还公开了用于建立将被储存在查找表中的制动转矩的方法。

Description

使用查找表优化电动马达的再生制动控制
技术领域
本发明是用于电动机的控制系统的领域。在本说明书中描述的实施例更具体地涉及电动马达的控制，以使用再生制动恢复能量。
背景技术
在用于AC电动马达的现代控制系统中，场定向控制(“FOC”)已经变得普遍。根据该方法，例如，通过脉宽调制驱动AC马达的定子绕组，以这样的方式来使马达的转矩/安培性能最大化。因为定子中磁场的旋转相对于转子的旋转磁场可以是异步的，使得AC马达的操作的特性涉及具有时变系数的一组微分方程，所以AC马达的场定向控制是复杂的任务。事实上，甚至在其中定子和转子的磁场是同步的这些系统中，可操作的一组微分方程仍然是非线性的。
现代高速可编程微控制器已经广泛地适用于进行准确的场定向控制所需的复杂的计算。很多AC马达控制算法是基于众所周知的“派克(Park)”变换，“派克(Park)”变换将具有角相关系数的一组可应用的微分方程变换成与马达角度无关的一组微分方程。特别地，Park变换根据旋转二维(d，q)坐标系统考虑马达操作，其中d轴与场磁链分量(即，转子通量)对齐，并且正交q轴与转矩分量对齐。通过将场磁链和转矩分量分开，可以控制马达转矩，而不会影响场通量。这种解耦使得能够使用诸如动态转矩控制和速度控制的技术，动态转矩控制和速度控制针对实际控制器实例化能够采用比例积分(PI)控制算法等。
如本领域中已知的，常规FOC控制器响应于期望的马达速度输入信号并结合指示马达的当前位置和速度的反馈信号，控制AC马达的操作。在这点上，速度控制器对期望的马达速度和当前速度的估计之间的误差信号应用诸如比例积分控制函数的函数，以产生应用于反Park变换函数的直接相位和正交相位(d，q)控制信号。通常，反Park变换由这些d和q相位信号和当前转子位置的估计生成空间固定的(α相位和β相位)控制信号。然后，α相位控制信号和β相位控制信号基于在马达的定子绕组上驱动脉宽调制的(PWM)脉冲通过空间矢量发生器功能被转换为多相控制信号，以施加期望的转矩。
在一般意义上来说，电动马达具有两种机械操作，马达驱动和制动。马达驱动是指其中马达的所施加的转矩和旋转速度是在相同方向上的马达操作，而制动操作在与马达的旋转速度相反方向上施加转矩。图1例示具有代表正向马达驱动(即，转矩τ＞0，并且速度ω＞0)的象限I和代表反向马达驱动(即，转矩τ＜0，并且速度ω＜0)的象限III的电动马达的转矩速度平面。类似地，象限II和象限IV分别代表反向制动(即，转矩τ＞0，速度ω＜0)和正向制动(即，转矩τ＜0，速度ω＞0)。如本领域中已知的，制动操作能够是再生的，在这种意义上讲，当马达被制动时，由转子的动能产生净反向电流，实质上是允许电动马达作为发电机操作。如果净反向电流的电能被反馈回到电源，当马达减慢时，从马达恢复能量。再生制动不会发生在转矩速度平面的制动象限中的所有操作点处，而仅发生在这些制动象限的子集内。同样地，由场定向控制系统产生的多相控制信号指示的转矩将确定是否发生通过再生制动的能量恢复，并且如果发生，将确定恢复能量的程度。
发明内容
所公开的实施例提供用于控制电动机(诸如交流(AC)电动马达)的系统和方法，以实行再生制动，以便恢复能量。
所公开的实施例提供此类系统和方法，其中当可能时，施加场定向控制(FOC)，以这种的方式实行再生制动。
所公开的实施例提供此类系统和方法，其中在再生制动期间，施加场定向控制(FOC)，以这种的方式使充电电流最大化。
所公开的实施例提供这种系统和方法，其中在用于内置式永磁(IPM)AC马达的再生制动期间，施加FOC，以使充电电流最大化。
所公开的实施例提供与外部制动机构兼容的这种系统和方法。
对于已经参考以下说明书及其附图的本领域中的普通技术人员来说，所公开的实施例的其它对象和优点将是明显的。
根据某些实施例，提供了FOC系统和方法，其中确定在制动期间将被应用到马达的多相控制信号，以便当可能时实行再生制动，并且在一些实施例中，优化来自再生制动的能量恢复。在这些实施例中，在多相控制信号的确定中，访问储存代表转矩速度平面中的再生制动区域的数据的查找表。在一些实施例中，查找表储存代表最大再生制动电流的操作点的数据。
附图说明
图1是指示用于马达的转子速度和转矩的象限的转矩对比速度的曲线图。
图2是根据实施例马达控制器架构的框图。
图3是根据图2的实施例用于马达控制的微控制器架构的数字部分的功能框图。
图4是例示根据实施例在用于图2的架构中的查找表中的转子速度的范围内确定制动转矩的操作的流程图。
图5a是根据实施例用于在建立用于马达的制动的一组系统方程式中使用的AC马达和动力系统的框图形式的电气图。
图5b至图5d是根据实施例用于图5a的系统中的在建立用于马达的制动的一组系统方程式中使用的部件的等效电路模型。
图6是在例示用于实施例的示例的再生制动区域的转矩速度平面中的曲线的曲线图。
图7是例示根据实施例图2和图3的在制动马达中的架构中的再生制动控制器的操作的流程图。
具体实施方式
在本说明书中描述的一个或更多个实施例被实施到用于AC电动马达的永磁(PM)类型的场定向控制(FOC)方案中，如预期的，在这种情况下此类实施方案是特别有利的。然而，还可以预期本发明的概念可以有益地应用于其它应用，例如诸如AC感应马达和其它电机的其它类型的电动马达。于是，应当理解，仅以示例的方式提供以下描述，并且不旨在限制如所要求保护的本发明的真实范围。
图2以框图的形式例示根据实施例用于电动机的场定向控制(FOC)控制系统250的示例。在图2的示例中，在该系统的控制下的电动机是永磁同步马达210，永磁同步马达210具有以常规方式相对于彼此120°异相布置的三个定子绕组，其在马达上用永磁体构成。如对于已经参考本说明书的本领域中的技术人员来说将明显的，马达210中的相位的数量可以与图2中所示的三个相位不同。在场定向控制(FOC)系统中，诸如根据这些实施例的系统250，控制施加到定子绕组的交流电，以产生旋转磁场，该旋转磁场与来自在期望的速度下以适当的转矩旋转转子的转子上的永磁体的磁场相互作用。
在该实施例中，通过可编程微控制器集成电路(MCU)220实施用于控制施加到定子绕组的交流电的许多的架构，使得能够在数字域中进行很多计算和控制回路功能。根据这些实施例适合于使用作为MCU 220的集成电路的示例包括可从德州仪器公司(TexasInstruments Incorporated)商购的C2000和MSP430族中的微控制器。在图2的示例中，MCU220包括微控制器处理器单元22，其从MCU 220外部接收期望的马达速度信号ωd[n]以及从马达210接收反馈信号，如下面将描述的。处理器单元22耦接到程序存储器24p，程序存储器24p储存用于由处理器单元22根据所接收的参考和反馈信号检索和执行的程序指令；根据该实施例，储存在程序存储器24p中的程序指令使得处理器单元22实行在本说明书中所描述的各种控制功能。处理器单元22还耦接到数据存储器24d，数据存储器24d储存在处理器单元22的马达控制操作中由处理器单元22应用和计算的数据。由处理器单元22的该程序执行的结果是指示脉宽调制占空比的三相数据信号Tabc，在该脉宽调制占空比处将驱动马达M的三相(即，分别地，相位a、相位b、相位c)。数据信号Tabc被施加到MCU 220中的PWM驱动器255，PWM驱动器255继而生成被应用到功率驱动电路231的输出控制信号，功率驱动电路231继而在线PWM(a，b，c)上在施加到用于以期望的速度驱动马达210的三相逆变器232的适当的频率和相位处生成对应的脉宽调制的脉冲。
根据这些实施例，处理器单元22耦接到再生制动查找表24r(如图2中的RB LUT24r所示的)。如下面将更详细描述的，RB LUT 24r是存储器资源，该存储器资源将被用于针对当前转子速度检索能够被用于确保在再生制动期间的充电电流或使在再生制动期间的充电电流最大化的一个或更多个预定制动转矩限制和水平。特别地如果RB LUT 24r的内容被确定用于与马达210的具体模型相关联的装配，则可以在如可以被用于程序存储器24p的非易失性存储器(诸如只读存储器(ROM)或电可编程只读存储器(EPROM))中实现RB LUT24r。供选择地，可以利用MCU 220上电或其它重启时加载RB LUT24r的内容在易失性存储器(例如，静态随机访问存储器或SRAM)中实现RB LUT 24r。RB LUT 24r可以具有随机访问架构，其中以存储器地址的方式访问RB LUT 24r的内容；在这点上，RB LUT 24r的地址空间可以是在也包括数据存储器24d和程序存储器24p的整个存储器资源的地址空间内。供选择地，RB LUT 24r可以是内容可寻址存储器，考虑到RB LUT 24r的数据对应于与每个转子速度相关联的一个或更多个值(即，制动转矩限制)。可以预期已经参考本说明书的本领域中的技术人员根据具体的实施方案将能够容易地实现RB LUT 24r。
图2的控制系统的反馈侧包括感测电路233，在该示例中，感测电路233感测马达210处(例如，在马达的定子处)的电气条件。如将在用于该实施例的以下描述中明显的，这些电气条件对应于定子绕组中的电流，并且对应于指示作为转子位置和转子角度(在该描述中同义地使用术语“转子位置”和“转子角度”)的函数的定子绕组的电感的电压。在该示例中，这些所感测的电参数被传送到MCU 220中的模数转换器(ADC)243。MCU 220中的ADC243以采样时钟Ts的频率对这些信号采样，以生成代表马达210处的所感测的电参数的数字数据值。然后，这些数字采样的值施加到处理器单元22，用于根据以储存在程序存储器24p中的程序指令表示的控制算法进行操作(这在下面进行了更详细地描述)，以产生适当的驱动信号来控制马达210。
在该实施方案中，MCU 220也包括可选的外部制动器控制器245，外部制动器控制器245提供控制施加到外部制动器259(也是可选的)的驱动的信号。如将在下面将更详细描述的，响应于所接收的输入(例如，所期望的马达速度)和反馈信号，外部制动器控制器259根据这些实施例具体地与能量恢复功能协同合作，生成输出控制信号。
图3例示根据实施例马达系统250的功能架构。如上面所讨论的，预期可以由如上面所提及的执行程序指令的MCU 220的处理器单元22实行图3的架构中的功能中的一些功能，而由也可以部署在MCU 220内的具体硬件部件实行图3的架构中的功能中的其它功能。在图2的实施方案中，在标注为“软件”的画圈区域中示出程序存储器中储存的且由处理器单元执行的软件中实施的该架构的这些功能，而在标注为“硬件”的画圈区域中示出以具体硬件部件的方式实施的这些功能。当然，图3的功能架构中的各种功能采用的具体的方式(即，硬件相对软件)可以不同，以适于具体的实施方案。
控制器220内的其它功能包括能量储存系统(ESS)265和电池管理电路260，在该示例中，能量储存系统(ESS)265是电池。在该布置中，电池管理电路260耦接到三相逆变器232的输出并操作以使用电流调节电路控制流进ESS 265中的再生制动电流的最大电平，对于该最大电平，基于ESS 265可以支持的最大充电电流。
图3例示根据实施例例如如可以在图2的硬件架构中MCU 220内实施的场定向控制(FOC)马达控制系统250的功能架构。如通过该架构的反馈回路部分确定的，指示期望的马达速度的外部控制信号ωd[n]和马达210的当前转子速度的估计之间的差值被施加到速度控制器251，速度控制器251例如通过应用常规控制函数，根据该差值生成期望的转矩信号τdesired。期望的转矩信号τdesired和马达210的当前转子速度的估计施加到再生制动(RB)控制器240，作为响应，再生制动(RB)控制器240将产生应用于参考电流发生器256的参考转矩信号τref。下面将详细描述根据这些实施例RB控制器240的功能布置和操作。
基于来自RB控制器240的参考转矩信号τref和当前转子速度的估计参考电流发生器256操作以产生正交相位参考电流Iq，ref和直接相位参考电流Id，ref。正交相位参考电流Iq，ref对应于期望的转矩分量(即，在d，q域中的q分量)，并且当前和正交相位反馈电流Iq之间的差值被施加到q轴电流控制器258。类似地，直接相位参考电流Id，ref和直接相位反馈电流Id之间的差值被施加到d轴电流控制器257。控制器257、控制器258根据常规控制函数(例如，比例积分)操作，以分别产生直接相位控制信号Vd和正交相位控制信号Vq，直接相位控制信号Vd和正交相位控制信号Vq被应用到反Park变换函数253。
反Park变换函数253将d相位控制信号Vd和q相位控制信号Vq变换为空间固定的α和β相位控制信号Vαβ。因为反Park变换需要获知转子位置(更具体地说，转子磁链角或场磁链角)，所以在该实施例中，通过估计器功能件215供应用于下一个控制周期[n+1]的转子位置估计如图3所示，来自反Park变换函数253的相位控制信号Vαβ被应用到空间矢量发生器254，空间矢量发生器254产生被供应到PWM驱动器255的三相数据信号Tabc，根据该三相数据信号Tabc，经由功率驱动器231和逆变器232产生适当的定子电流，并且其被施加到马达210的对应的定子极。
在该架构中的控制回路的反馈侧上，克拉克(Clarke)变换函数241a接收与三个马达相位相关联的且在当前采样周期n内获取的如通过ADC 243a基于由感测电路233所感测的电参数产生的采样的电流Iabc。从这些输入，克拉克变换函数241a产生空间固定的α和β相位反馈信号Iαβ，所述信号继而被应用到Park变换函数246a，以分别产生d相位反馈信号Id和q相位反馈信号Iq。类似地，克拉克变换函数241b从ADC 243b接收采样的电压Vabc，并且产生α和β相位电压反馈信号Vαβ，α和β相位电压反馈信号Vαβ被应用到Park变换函数246b，以分别产生d相位电压反馈信号Vd和q相位电压反馈信号Vq。电流反馈信号Id、电流反馈信号Iq和电压反馈信号Vd、Vq以及来自ADC 243c的感测的母线电压Vbus被转发到估计器功能件215，估计器功能件215将生成用于在如上面所提到的控制回路中使用的转子位置和转子速度估计。替代地或附加地，感测电路233中的一个感测电路可以从马达210处的速度传感器接收信号，在该情况下，获得转子速度的直接测量，并且转子速度的直接测量能够被用于控制回路中。
在都是2014年7月22日提交的共同未决的美国申请S.N.14/337,576和S.N.14/337,595以及2015年10月9日提交的共同未决的美国申请S.N.14/880,008中，描述了适合于在该实施例中的估计器功能件215中使用的速度和位置估计算法和方法的示例，所有这些申请在此共同转让且以引用方式并入本文。在此共同转让且以引用方式并入本文的2015年3月31日提交的共同未决的美国申请S.N.14/675,196描述了马达控制器架构，该马达控制器架构包括用于选择将被施加到转子位置的估计中的分数延迟补偿值的功能件，为了转子位置的估计，脉宽调制的驱动信号被应用到多相电动马达，根据这些实施例，多相电动马达可以可选地包括在控制系统250的功能架构中。
如上面所提及的，控制器220的功能架构包括控制回路中的RB控制器240。如在此共同转让且以引用方式并入本文的2015年8月27日提交的共同未决的美国申请S.N.14/837,810中和图3所示的实施例中所描述的，RB控制器240与外部制动器控制器245结合操作，以控制马达210。在该实施例中，如上面所提到的，速度控制器251接收参考速度ωd[n]和角速度估计之间的差值，并且产生到RB控制器240的输入的期望的转矩τdesired。RB控制器240还从估计器功能件215接收角速度估计并且在其中实施外部制动器控制器245的实施例中，提供转矩信号τext和转矩信号τref。来自RB控制器240的转矩信号τref被应用到如上面所提及的参考电流发生器256，并且转矩信号τext被应用到外部制动器控制器245，用于控制外部制动器259。
如在上面并入的申请S.N.14/837,810中所描述的，RB控制器240操作以确定将发生再生制动的制动象限(在图1的转矩速度平面中的象限II和象限IV)中的区域边界，并且生成转矩信号τext和τref，以当可能时在这些再生制动区域中进行操作，以便在再生制动期间使充电电流最大化。在该上面所并入的申请S.N.14/837,810中使用的方法导出其中发生再生制动的转矩速度平面的制动象限II和象限IV中的区域的边界的符号闭式表达式。更特别地，对于每个转子速度，这些边界表示发生再生制动的最小制动转矩和最大制动转矩，并且还可以表示能够实现最大再生制动电流的每个转子速度时的制动转矩水平。对于隐极永磁同步马达(PMSM)且对于其中永磁体表面安装在转子处的马达(诸如被称为“SPM”的马达)，已经观察该闭式方法工作良好，例如，提供限定这些边界和最大恢复曲线的转矩速度平面中的闭式表达式。该上面所并入的申请S.N.14/837,810还描述了具有再生制动控制的外部制动的使用，以使充电电流最大化并达到所期望的停止速度。
然而，根据这些实施例，已经观察到，因为这些马达的本质使得其极难于导出用于再生制动边界和最大再生制动电流曲线的闭式表达式，所以对于隐极PMSM和内置式永磁马达(IPM)，该方法可能不是切实可行的。这些实施例提供了再生制动控制，在再生制动中闭式表达式不是必须的，因此允许大范围的电动马达在再生制动期间达到最大充电电流。
根据这些实施例，在MCU 220中提供如图2中所示的再生制动查找表(RB LUT)24r作为存储器资源，该存储器资源储存用于若干转子速度中的每个转子速度的预计算的或以其他方式预确定的制动转矩水平。在图3的功能架构中，对于其中所接收的期望的马达速度信号ωd[n]指示马达210将减慢或停止的情况，再生制动控制器240能够访问RB LUT 24r，以获得用于在再生制动期间能够确保充电电流或使充电电流最大化的那个速度的制动转矩水平。根据这些实施例，针对各种马达速度预确定这些制动转矩水平，并且这些转矩水平被储存在RB LUT 24r中，用于在操作期间进行后续访问。通过允许使用数值技术获得这些制动转矩，该布置允许大范围马达的能量恢复的优化，包括马达诸如对于其不能容易地导出再生制动边界和最大再生制动电流曲线的闭式表达式的IPM。
想到可以通过许多方法计算储存在RB LUT 24r中的制动转矩。例如，可以针对各种转子速度，例如通过表征马达210的具体制作和模型和在变化的转子速度内测量能量恢复性能，实验性地确定这些制动转矩。供选择地，可以通过导出如在上面所并入的申请S.N.14/837,810中所描述的闭式表达式，并且然后将变化的转子速度施加到这些表达式，以达到对应于用于这些转子速度中的每个转子速度的再生制动边界和最大再生制动电流曲线的制动转矩，确定这些制动转矩。
现在将参考图4描述根据实施例用于数值上确定储存在RB LUT 24r中的制动转矩的技术。该过程将使用与具体的马达制作和模型以及动力系统和相关联的电路的性能相关联的参数值，确定这些制动转矩。可以预期通常将在各个马达和控制系统的制造或装配之前，实行在该数值方法中涉及的各种过程，例如以计算机执行对应的程序指令以确定储存在用于具体马达模型或类型的控制系统中的RB LUT 24r的实例中的制动转矩的方式。
根据该实施例，针对诸如图3的马达210的给定的永磁同步电机确定再生制动转矩水平开始于过程20，在过程20中，建立系统方程式，其表示系统的行为。这些系统方程式是基于用于系统的构成的等效稳态电路模型，其被认为如图5a的高级框图中所示的DC储存/动力块30、DC-到-AC转换器块32和AC电机35。
图5b中示出基于蓄电池(例如，图3的ESS 265)用于系统的DC储存/动力块30的等效电路模型。在该模型中，电压Es是电源(电池)输出电压，并且Rs是源电阻，获得输出电压vs和输出电流is。在该示例中，DC-到-AC转换器块32将被假设为无损的，在这个意义上，没有传导或切换损耗，并且因此该功能件不需要等效电路模型。图5c和图5d分别示出d维和q维(轴)中的交流电机块35的等效电路模型。在d轴和q轴中的每个中，Rp表示每相定子电阻，Rc表示每相铁耗电阻，并且N是AC电机块35(例如，马达210)的极对数。在图5c中，id是d轴电流，idm是d轴磁化电流，Ld是d轴电感，并且vd是d轴电压。类似地，在图5d中，iq是q轴电流，iqm是q轴磁化电流，Lq是q轴电感，并且vq是q轴电压。基于这些模型，过程20建立包含联立方程式的系统方程式：
并且还包含用于电磁转矩τem的方程式：
τem＝N(Λ+(Ld-Lq)idm)iqm (2)
其中Λ是AC电机中的永磁体通量的量值。在这些系统方程式中的控制变量分别是d轴和q轴上的占空比矢量ud和占空比矢量uq。如本领域中已知的，对于固定的DC母线电压，占空比矢量ud和占空比矢量uq的最大长度取决于脉宽调制(PWM)策略的类型和定子电机绕组的类型。例如，用于使用不具有三次谐波注入的PWM的星形连接(wye-connected)电机的占空比矢量的最大长度[max(Udq)]是：
并且对于使用不具有三次谐波注入的PWM的δ形连接(delta-connected)电机是：
在根据该实施例的过程22中，识别具体马达和动力系统参数值并将它们施加到在过程20中建立的系统方程式。这些参数值包含与确定可应用那个具体的马达和动力系统类型的制动转矩中涉及的计算相关或必须的那些参数，可以包含以下中的一些或所有参数：
根据用于确定制动转矩的数值方法和优化方程式，可以添加或替换附加的或不同的参数，或可以省略这些参数中的一些参数。例如，在一些实施方案中，如在上面的表中所指示的，可以包含马达的铁耗电阻Rc，而在其它实施方案中，可以省略铁耗电阻Rc，而在结果中没有显著的准确度损失。可以通过特性、通过参考用于马达和动力系统的所陈述的规范或通过其它常规技术，确定施加于给定的马达和动力系统的具体的值。可以预期这些参数值通常将需要的精度将通常允许(或在组件到组件基础上或用于整个系统)使用马达的给定的模型和动力系统的给定的模型的一组参数值，而不需要为马达或动力系统的每个具体的实例输入不同的参数值。当然，如果预期具体精度的装配，则表征和测量具体的马达实例和动力系统实例可以是有利的，使得能够调整制动转矩和能量恢复，以获得最佳可用的优化。
根据该实施例，然后，实行优化过程24，以为期望的操作范围内的每个转子速度ω，确定发生再生能量恢复时的最小和最大制动转矩。暗示地，再生制动将发生在每个转子速度下的这两个限制之间的这些制动转矩处。如上面所提及的，很多马达类型不能很好地适合于通过对闭式表达式求解来确定这些制动转矩限制；此外，甚至对于产生闭式表达式的这些马达类型，可以发现这些表达式为基础的假设中的一个或更多个假设对于具体的马达或系统类型不精确。因而，根据该实施例，提前用公式表示一个或更多个优化问题，并且针对在过程22中施加的参数值，由在过程20中建立的系统方程式对一个或更多个优化问题进行数值求解，以确定转子速度范围内的再生制动转矩水平。
在过程24中，根据相应的优化问题确定在所选择的转子速度下的最小和最大制动转矩。在该实施例中，这些优化问题被构造为：
问题1：使电磁转矩τem最小化，其中：
||udq||≤max(Udq)，||idq||≤Imax，τem≤0，is≤0
问题2：使电磁转矩τem最大化，其中：
||udq||≤max(Udq)，||idq||≤Imax，τem≤0，is≤0
由上面所描述的系统方程式(1)和系统方程式(2)约束这两个优化问题。在过程24中，在操作速度的范围内的每个转子速度ω处，对这些优化问题进行求解，以生成在图1的转矩速度平面的正向制动象限IV中的再生制动的界限。通常，马达和动力系统的行为在转矩速度平面中是对称的，并且同样地，相同的界限将应用在反向制动象限II中。
在优化过程26中，通过对在操作速度的范围内的另一个优化问题求解，确定在其处再生制动提供最大能量恢复的制动转矩：
问题3：使动力系统的输出电流is最小化，其中：
||udq||≤max(Udq)，||idq||≤Imax，τem≤0，is≤0
还由上面所描述的系统方程式(1)和系统方程式(2)约束该优化问题。在该实施例中，优化过程26针对操作范围内的每个转子速度ω确定由电池输出的电流处于其最小值时的制动转矩，制动转矩相反地对应于在再生制动期间以其充电电流处于最大值的转矩。
可以预期具体的优化问题，并且事实上所导出的优化问题和制动转矩可以与图4中所示的不同。具体地说，实行优化过程24、优化过程26的具体的次序可以与图4中所示的不同，并且事实上不需要确定所有的最小的、最大的和优化的制动转矩，例如，可以期望省略优化过程24，并且代替仅实行优化过程26，以确定速度内的优化制动转矩，或就此而言反之亦然。此外，经历优化过程24、优化过程26表征的范围内的马达速度(即，粒度)的数量可以在各种制动转矩之中变化。
图6例示在由用于内置式永磁马达(IPM)的示例的过程20至过程26的实例确定的制动转矩限制的转矩速度平面中的象限IV(即，正向制动象限)中的曲线图。图6中的曲线40min例示对于从0到1000弧度/秒(/rad/sec)范围的每个转子速度下发生再生制动时的最小制动转矩。曲线400max指示在0到1000rad/sec的相同的范围内发生再生制动时的最大制动转矩。这两个曲线40min、曲线40max对应于如施加到该具体的马达和动力系统的上面所描述的优化过程24的结果。如图6所示，在这两个曲线40min和曲线40max之间的转矩速度平面中的区域是其中发生一定水平的再生制动的区域。图6的曲线40opt例示在该示例中的优化过程26的结果，并且同样地指示对于从0到1000rad/sec范围的转子速度下充电电流将被最大化时的制动转矩。图6中的这些曲线40min、曲线40max的形状例示闭式表达式无法指定这些制动转矩限制和优化。已经观察到，关于这些实施例，图6中的制动转矩曲线一般以形状(在不是以数值的条件下)代表其它IPM和对应的动力系统。
再参考图4，根据该实施例，然后实行过程28，以将优化过程24、优化过程26的结果，具体地以将被包括在用于该马达类型和对应的动力系统的控制系统的每个实例中的查找表的形式，储存在存储器资源中。如上面所提及的，可以预期一般将“离线”(在制造流程的外面)实行图4的过程。在图2的物理布置中，例如，在每个MCU 220的制造时或在制造整个马达和控制系统时，每个MCU 220的构造或配置将包含将在过程24、过程26中确定的结果加载到MCU 220的RB LUT 24r中。供选择地，如果MCU 220的非易失性存储器容量允许，则可能将制动转矩LUT的多个实例加载到每个MCU 220的存储器空间中；然后当装配时MCU 220的编程或其它配置可以选择适当的RB LUT 24r，以在其最终的应用中使用。另外，在供选择的方案中，可以预期MCU 220可以被制造具有空的RB LUT 24r，在该情况下，当装配时，系统汇编器或用户将例如以与固件更新类似的方式加载RB LUT 24r的内容。可以预期配置或加载RB LUT 24r的方式的这些和其它变化(诸如对于已经参考本说明书的本领域中的技术人员来说明显的变化)在如下面所要求保护的本发明的范围内。
现在参考图7，现在将详细描述根据实施例控制马达210的制动中系统250(图3)的再生制动(RB)控制器240的操作。在该操作中，参考示例物理架构，据推测，在过程28(图4)的实例中，RB LUT 24r是预加载的，具有如由用于马达210类型和ESS 265的动力系统、电池管理电路260和逆变器232的数值优化过程24、数值优化过程26所确定的适当的制动转矩限制和水平。此外，如将从该描述明显的，可选的外部制动器控制器245和外部制动器259被装配在系统250中；然而，也将变得明显的，在缺乏此类外部制动器功能件的情况下，RB控制器240也能够容易进行操作。
如在上面所并入的专利申请S.N.14/337,576、S.N.14/337,595和S.N.14/675,196中所描述的，系统250的控制回路周期性地操作，以在一个采样周期n处确定的转子速度和位置以用于确定将在下一个采样周期n+1被应用到马达的适当的控制信号。可以预期已经参考本说明书的本领域中的技术人员将能够与其它基于时间的方法结合实现这些实施例，以反馈适于具体的应用的马达的控制，而不用过度的实验。
在确定马达210的适当的制动转矩中的RB控制器240的操作通过从估计器功能件215接收当前转子速度估计开始于处理42。虽然本描述将指代其中基于所感测的电流和电压(它们通过克拉克变换241和Park变换246被变换成d轴和q轴表示)估计转子速度的图3的功能架构，诸如来自马达210处的速度传感器的转子速度的直接测量可以供选择地(或附加地)被用于取代这个当前转子速度估计。此外，虽然该描述将是用于通过反向转矩的施加使正向运动制动的情况，但是本领域中的技术人员将认识到，将以非常相同的方式但具有符号相反的值进行反向制动(象限II)。在过程44中，RB控制器240从速度控制器251接收转矩信号τ期望。通常基于当前转子速度估计和从系统250外部接收的期望的转子速度信号ωd[n]之间的差值，由速度控制器251通过适当的控制函数(例如，比较积分)的应用确定转矩信号τ期望。实际上，转矩信号τ期望表示原始制动转矩，施加该原始制动转矩以将马达210从马达210的当前转子速度减慢到期望的转子速度ωd[n]。再者，在过程44中，RB控制器240将转矩值τ1设定为这个转矩信号τ期望。
在决策45中，RB控制器240确定来自速度控制器251的转矩信号τ期望是否指示制动转矩，对于正向运动的情况，制动转矩是负值。如果转矩信号τ期望是正向转矩(决策45返回“否”结果)，则RB控制器240不实行激活功能，并且正向转矩值τ1(在这个点处是来自速度控制器251的转矩信号τ期望)作为到参考电流发生器256的转矩信号τref。RB控制器240将用于转矩τext的零值传送到外部制动器控制器245，使得不将外部制动259施加到马达210。然后，以常规方式进行在正向方向上马达210继续其旋转的控制，如上面所描述的。
如果决策45确定转矩信号τ期望是制动转矩(决策45返回“是”)，则RB控制器240访问RB LUT 24r，以在过程46中获得期望的制动转矩值τ2。在这个实施例中，其中RB LUT 24r储存用于操作范围内的每个马达速度的制动转矩，过程46涉及当前采样周期n内由来自估计器功能件215的转子速度估计指示的RB LUT 24r的一个或更多个存储器位置的访问。其中访问RB LUT24r的具体的方式将取决于那个存储器资源的架构，并且可以涉及将当前转子速度估计转化为存储器地址，或如果RB LUT 24r被实现为内容可寻址存储器，则可以将估计的所有或部分应用到RB LUT 24r。
在过程46中从RB LUT 24r检索的制动转矩数据可以包含用于当前转子速度的最小和最大制动转矩(即，在图6的曲线40min、曲线40max上的点)中的一个或两个、用于当前转子速度的优化制动转矩(即，在图6的曲线40opt上的点)，或两者。如果从RB LUT 24r所检索的制动转矩是在当前转子速度下的优化制动转矩，则这个优化制动转矩值自身可以被用作转矩值τ2。供选择地，如果在过程46从RB LUT 24r检索到最小和最大制动转矩限制中的一个或两个，则设定转矩值τ2可以涉及由RB控制器240执行的附加决策，包含基于期望的制动转矩值τ1是高于由所检索的限制指示的再生制动范围还是低于由所检索的限制指示的再生制动范围，选择应该使用这些限制中的哪些限制。可以预期已经参考本说明书的本领域中的技术人员将能够容易地实施适于执行这些确定的适当的逻辑和程序指令，而不用过度实验。
根据该实施例，可以预期在操作范围内的离散转子速度处建立储存在RB LUT 24r中的制动转矩值。如此，来自估计器功能件215的当前转子速度估计可以不精确匹配对于其制动转矩被储存在RB LUT 24r中的转子速度中的一个转子速度，所以过程46的结果可以是基于一个或更多个所检索的制动转矩值的制动转矩的估计(例如，最接近当前转子速度估计的转子速度的制动转矩值)。供选择地，过程46可以为相对于转子速度估计的下一个较高的转子速度和下一个较低的转子速度检索制动转矩，并且在两个对应的所检索的制动转矩之间实行线性插值，以达到用于当前转子速度的适当的限制。可以预期能够由已经参考本说明书的本领域中的技术人员容易地实施访问RB LUT 24r以获得再生制动转矩限制和优化操作点的方式的这些和其它变化。
在决策47中，RB控制器240确定期望的制动转矩(τ1)的绝对值是否大于对应于由在过程46中RB LUT 24r的访问确定的最大充电电流的再生制动转矩(τ2)的绝对值。如果是(决策47是“是”)，则再生制动算法前进到决策49，其中RB控制器240确定当前转子速度估计是否高于再生制动将被施加于的一些最小转子速度ωrb，min。当在多个采样周期内进行制动操作时，通过再生制动获得能量恢复所选择的制动转矩的应用将渐近地朝向其期望的值减小转子速度，但是因为通常最大停止转矩将永远不会作为较小的转矩(即使是最小的能量恢复，较小的转矩也将提供一些能量恢复)的替代而被施加，所以永远不会精确地达到该期望的速度。于是，当转子速度变得非常慢时，有效地禁用再生制动是有效的，特别地考虑即使启用，以这些速度也将恢复极少的能量。因此，决策49确保如果当前转子速度估计高于一些最小转子速度ωrb，min(如可以由系统设计师或整合者选择)，则考虑再生制动。
如果当前转子速度估计指示启用再生制动(决策49是“是”)，则然后由RB控制器240实行决策51，以确定外部制动器是否是可用的。如果外部制动器259没有装配在系统250中，则该确定可以简单地是硬连线；供选择地，决策51可以确定是否已经为操作马达210的当前模式选择性地启用这种装配的外部制动器259。如果外部制动器259是可用的并且启用外部制动器259(决策51是“是”)，则RB控制器240能够导出外部转矩τext，以确保或优化再生制动，并且使用外部制动器259以施加期望的制动力中的其余的制动力。在过程50中，由RB控制器240通过将对应于转矩值τ2的转矩信号τref的值转发到参考电流发生器256，实行该操作，根据此，控制回路将生成对应的多相控制信号，以影响马达210处的电磁制动。在过程52中，RB控制器240将外部转矩信号τext的值转发到对应于期望的制动转矩τ期望和施加的电磁转矩τem之间的差值(τ1-τ2)的外部制动控制器245。响应于外部转矩信号τext，外部制动器控制器245将控制外部制动器259，以施加剩余的制动力。
图6例示在施加电磁和外部制动的组合中RB控制器240的操作的示例。对于该示例，马达210以大约150rad/sec的当前转子速度估计进行操作，并且制动旨在使马达从那个速度减慢到较低的速度(例如，零)或停止马达。在过程44中，RB控制器240将其转矩信号τ1设定为来自速度控制器251的期望的制动转矩τ期望的值，在该示例中，期望的制动转矩τ期望的值是大约-250Nm。如从图6明显的，以150rad/sec的转子速度对应于期望的制动转矩τ1＝τ期望＝-250Nm的转矩速度平面中的点下降到低于在过程46中从RB LUT24r获得的最大充电电流再生制动转矩，在该示例中，最大充电电流再生制动转矩是以150rad/sec的转子速度的-223.5Nm的制动转矩值τ2。对于其中外部制动器259是可用的且启用外部制动器259(决策51是“是”)的情况，在过程50中，RB控制器240将把对应于转矩值τ2＝-223.5Nm的转矩信号τref的值发给参考电流发生器256，并且在过程52中，将把对应于转矩值(τ1-τ2)＝(-250-(-223.5))＝-26.5Nm的转矩信号τext的值发给外部制动控制器245。
如上面所提及的，根据该实施例的RB控制器240可以在缺乏外部制动器系统的情况下进行操作(即，决策51返回“否”结果)。在该情况下，RB控制器240执行决策53，以确定对制动距离进行折中是否是可接受的，以便使再生制动最大化。可以预期通常将响应于外部信号(例如，如可以由处理器单元22内的逻辑响应于马达环境、其它用户输入、已经施加制动的快速性(诸如在紧急停止等的情况下)而生成)，实行这个确定。如果是这样的话(决策53是“是”)，则RB控制器240将执行过程50，以将对应于转矩值τ2的转矩信号τref的值转发到参考电流发生器256，响应于此，控制回路将在下一个采样周期n+1内给马达210生成对应的多相控制信号，以影响该电磁制动。当然，由于在该情况下没有外部制动器259是可用的，所以根据该实施例将经历已经发生而没有再生制动的较长的停止时间，但是具有附加的恢复能量的益处。
如果当前情形使得不能有利于能量恢复地对制动进行折中(决策53是“否”)，则RB控制器240将进行过程48，以应用对应于如在过程44中从速度控制器251接收到的转矩值τ1＝τdesired的转矩信号τref。因为外部制动器259是不可用的，所以在过程48的该实例中将不生成转矩信号τref。
如果期望的制动转矩(τ1)的绝对值不大于对应于最大充电电流的再生制动转矩(τ2)的绝对值(如通过决策47返回“否”结果所指示的)，则将有效地禁用再生制动算法，并且在过程48中，参考转矩τref被设定为转矩τ1，并且用于包括外部制动器控制器245的系统的外部制动转矩τext被设定为零。类似地，如果当前转子速度估计是低于最小转子速度ωrb，min(如由决策49返回“否”结果所指示的)，则由RB控制器执行过程48，以将对应于转矩值τ1＝τdesired的转矩信号τref并且还可能将转矩信号τext施加到外部制动器控制器245，以控制如由系统250中的常规制动算法所指示的外部制动259的施加。
多相制动控制信号生成中制动操作的实例之后，并且如果需要外部制动，则图7的该过程将再次重复用于在下一个采样周期n+1之后的每个连续的采样周期，作为典型的FOC马达控制。如上面所提及的，如果仅施加电磁再生制动(即，不具有来自机械制动的帮助)，则马达210将朝向期望的转子速度渐近地减慢。如果该期望的转子速度是零，则一旦转子速度接近零，则通过根据该实施例的决策49的操作将发生完全制动。
根据这些实施例，可以为大范围的同步电机类型进行再生制动，大范围的同步电机类型包括诸如如IPM的电机，对于IPM用于再生制动的操作状态不能被减少为闭式表达式。因此，这些实施例允许使用所涉及的马达和动力系统的极其准确的模型，具体地说，以便能考虑可以具体于具体的马达的制作和模型的参数。此外，能够在有或没有外部机械制动的情况下操作这些实施例，同时在再生制动期间仍然使充电电流最大化。此外，可以预期如结合这些实施例使用的，在查找表中储存和访问制动转矩将减少再生制动控制器的计算负荷，并且因此能够使马达控制系统的性能最大化，促进控制回路以其操作的频率对应的增加。
虽然在本说明书中已经描述了一个或更多个实施例，但是当然可以预期这些实施例的修改和供选择的方案，对于已经参考本说明书及其附图的本领域中的普通技术人员来说，能够获得本发明的一个或更多个优点和益处的此类修改和供选择的方案将是明显的。可以预期此类修改和供选择的方案在如本文中随后所要求保护的本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种控制多相AC电动马达的操作的方法，所述方法包括：
周期性地感测对应于马达的旋转的电参数；
响应于所感测的电参数，确定当前转子速度；
访问查找表以检索对应于所述当前转子速度的再生制动转矩值；以及
对应于所述再生制动转矩值，生成用于应用到所述马达的多相驱动信号。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
响应于所述当前转子速度和期望的转子速度信号，生成期望的制动转矩值；以及
生成对应于所述期望的制动转矩值和所述再生制动转矩值之间的差值的外部制动器控制信号。
3.根据权利要求1所述的方法，所述的方法还包括：
响应于所述当前转子速度和期望的转子速度信号，生成期望的制动转矩值；
确定是否能够对制动时间进行折中；以及
响应于确定指示不能够对制动时间进行折中的步骤，对应于所述期望的制动转矩值，生成用于应用到所述马达的多相驱动信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述再生制动转矩值对应于预定最大电磁转矩，在所述预定最大电磁转矩处，针对所述当前转子速度再生制动发生。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，访问步骤还检索对应于预定最大电磁转矩的再生制动转矩值，在所述预定最大电磁转矩处，针对所述当前转子速度再生制动发生；
并且其中，所述生成步骤生成对应于所述预定再生制动转矩值中的一个预定再生制动转矩值的多相驱动信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述再生制动转矩值对应于预定电磁转矩，在所述预定电磁转矩处，针对所述当前转子速度，使再生制动充电电流最大化。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
建立表示所述马达和给所述马达提供动力的动力系统的电磁行为的系统方程式；
对由所述系统方程式约束的至少一个优化问题求解，以获得在操作范围内多个转子速度中的每个转子速度处的至少一个预定再生制动转矩值；以及
将所述至少一个预定再生制动转矩值和与其对应的转子速度相关联地储存在所述查找表中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述访问步骤从所述查找表中检索与最接近所述当前转子速度的所述多个转子速度中的至少一个转子速度相关联的再生制动转矩值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述访问步骤从所述查找表中检索与分别比所述当前转子速度更高和更低的所述多个转子速度中的第一转子速度和第二转子速度相关联的第一再生制动转矩值和第二再生制动转矩值；
还包括：
在所述第一再生制动转矩值和所述第二再生制动转矩值之间插值，以确定对应于所述当前转子速度的所述再生制动转矩值。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述系统方程式包含对应于所述马达中的铁耗电阻的至少一个参数。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，确定当前转子速度的步骤包括：
响应于所述感测的电参数，执行估计算法，以导出所述当前转子速度的估计。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，确定当前转子速度的所述步骤包括：
从所述马达处的速度传感器获得对应于所述当前转子速度的信号。
13.一种多相电动马达系统，所述系统包括：
多相马达，所述多相马达包括多个定子极和转子；
控制回路，所述控制回路用于响应于电磁转矩信号生成多相控制信号；
驱动电路，所述驱动电路用于响应于所述多相控制信号驱动所述马达的所述定子极；
在所述马达处用于感测所述马达的旋转的至少一个传感器；
存储器，所述存储器包括查找表，所述查找表储存与在操作范围内的多个转子速度中的每个转子速度相关联的至少一个预定再生制动转矩值；以及
再生制动控制器功能件，所述再生制动控制器功能件用于通过从所述查找表检索对应于响应于来自所述至少一个传感器的信号确定的当前转子速度的预定再生制动转矩值，生成所述电磁转矩信号。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述马达是永磁同步马达。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述马达是内置式永磁类型。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述马达是表面式永磁类型。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述马达是交流感应类型的。
18.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括：
逆变器，响应于所述多相控制信号，所述逆变器用于给所述马达提供动力；
能量储存系统，所述能量储存系统耦接到所述逆变器，用于经由所述逆变器给所述马达的所述驱动提供动力；以及
管理电路，所述管理电路耦接到所述能量储存系统，以控制在再生制动期间流进所述能量储存系统中的再生制动电流。
19.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括：
外部制动器；以及
外部制动器控制器，所述外部制动器控制器耦接到所述再生制动控制器，并且耦接到所述外部制动器，用于控制由所述外部制动器施加到所述马达的力；
并且其中，所述再生制动控制器还用于：
响应于所述当前转子速度和期望的转子速度信号，生成期望的制动转矩值；以及
生成到所述外部制动器控制器的、对应于所述期望的制动转矩值和所述再生制动转矩值之间的差值的外部制动器控制信号。
20.根据权利要求13所述的系统，其中，所述再生制动控制器还用于：
响应于所述当前转子速度和期望的转子速度信号，生成期望的制动转矩值；以及
确定是否能够对制动时间进行折中；以及
响应于确定指示不能对制动时间进行折中的步骤，对应于所述期望的制动转矩值，生成应用于所述马达的多相驱动信号。
21.根据权利要求13所述的系统，其中，所述预定再生制动转矩值对应于最大电磁转矩，在所述最大电磁转矩处，针对所述当前转子速度再生制动发生。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述再生制动控制器功能件还检索对应于最小电磁转矩的预定再生制动转矩值，在所述最小电磁转矩处，针对所估计的当前转子速度发生再生制动；
并且其中，所述生成步骤生成对应于所述预定再生制动转矩值中的一个预定再生制动转矩值的多相驱动信号。
23.根据权利要求13所述的系统，其中，所述预定再生制动转矩值对应于预定电磁转矩，在所述预定电磁转矩处，针对所述当前转子速度，使再生制动充电电流最大化。
24.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括：
反馈电路，响应于从所述至少一个传感器接收的信号产生对应于所述马达的旋转的反馈信号；以及
估计器功能件，响应于所述反馈信号生成所述当前转子速度的估计。
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