CN107889547A - 磁化状态控制方法和磁化状态控制装置 - Google Patents

磁化状态控制方法和磁化状态控制装置 Download PDF

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Abstract

一种用于可变磁化机的磁化状态控制方法，所述方法包括：在改变所述可变磁化机的磁化状态时产生磁链矢量，使得所述磁链矢量的轨迹在dq轴平面上具有弯曲的顺时针轨迹，并且所述磁链矢量的大小在时间上变化，其中所述dq轴平面为d轴沿永磁体磁通的方向指向、而q轴在转子的旋转方向上在d轴之前90度处的同步参考坐标系。

Description

磁化状态控制方法和磁化状态控制装置
技术领域
本发明总体而言涉及磁化状态控制方法和磁化状态控制装置。更具体地说，本发明涉及用于可变磁化机的磁化状态控制方法和磁化状态控制装置。
背景技术
电动车辆和混合动力电动车辆(HEV)包括作为车辆驱动源而运行的电动机。在纯电动车辆中，电动机作为唯一的驱动源运行。另一方面，HEV包括根据在本领域内所理解的情况而作为车辆的驱动源运转的电动机和常规内燃机。
如本领域所理解的，电动车辆和HEV可以采用具有可变磁化特性的电动机。例如，可以增加电动机的磁化水平以增加由电动机产生的扭矩。因此，当驾驶员试图加速车辆以例如超过另一车辆时，电动机控制系统可以通过施加脉冲电流来改变磁化水平，以增大电动机的扭矩输出并由此增加车辆速度。
在典型的电动机控制系统中，逆变器将控制电压施加到电动机。但是，在高的电动机转度下，由脉冲电流在控制系统中引起的电压可以增加到高电压水平。在这个高电压水平下，逆变器可能不再能够提供足够的电压来以期望的速度驱动电动机。
另一方面，除逆变器外还具有升压电路的电动机在本领域中是已知的(例如，参见JP2007-240833)。利用该电动机，升压电路在高电动机速度下运行以填充逆变器的电压间隙。
发明内容
然而，对于这种常规电动机，即使升压电路不运行，升压电路也会发生损耗。因此，对于该电动机，由于磁化状态控制而导致的损耗降低被升压电路的损耗所抵消，因此将不能适当地提高从电输入功率到机械输出功率的总电动机效率。
本申请的一个目的是提供一种磁化状态控制方法和一种磁化状态控制装置，利用该磁化状态控制方法和该磁化状态控制装置，可以在不提供额外升压电路的情况下，提高从电输入功率到机械输出功率的总效率。
考虑到已知技术的状态，用于可变磁化机的磁化状态控制方法的一个方面包括：在改变所述可变磁化机的磁化状态时产生磁链矢量，使得磁链矢量的轨迹在dq轴平面上具有弯曲的顺时针轨迹，并且磁链矢量的大小在时间上变化，其中dq轴平面为d轴沿永磁体磁通的方向指向、而q轴在转子的旋转方向上在d轴之前90度处的同步参考坐标系。
附图说明
现在参考形成本原始公开的一部分的附图：
图1是根据第一实施例的可变磁化机的局部剖视图；
图2是示出用于控制图1中示出的根据第一实施例的可变磁化机的可变磁化机控制器的组件的示例的框图；
图3A是示出根据第一实施例的用于磁化状态控制的dq轴平面上的磁链矢量的目标轨迹的示例的曲线图；
图3B是示出根据第一实施例的用于磁化状态控制的αβ轴平面上的磁链矢量的目标轨迹的示例的曲线图；
图4是示出根据第二实施例的用于磁化状态控制的dq轴平面上的磁链矢量的目标轨迹的示例的曲线图；
图5A是示出根据第三实施例的用于磁化状态控制的αβ轴平面上的磁链矢量的目标轨迹的示例的曲线图；
图5B是示出根据第三实施例的用于磁化状态控制的αβ轴平面上的电压矢量的示例的曲线图；
图6A是示出根据第四实施例的用于磁化状态控制的dq轴平面上的磁链矢量的目标轨迹的示例的曲线图；以及
图6B是示出根据第四实施例的在磁化状态控制时的扭矩输出的时间变化的曲线图。
具体实施方式
现在将参考附图解释选定的实施例。本领域技术人员从本公开中将显而易见的是，提供以下实施例的描述仅用于说明，而不是为了限制由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的目的。
第一实施例
如图1所示，也可以被称为可变磁化电动机或其他类型的可变磁通机的可变磁化机10包括转子12和定子14。如本文所讨论的，术语可变磁化机和可变磁通机可以同义地用来指代相同类型的机器。可变磁化机10可用于任何类型的电动车辆或HEV(例如，汽车、卡车、SUV等)以及本领域中所知的任何其他类型的设备。转子12和定子14可以由金属或如本领域所知的任何其他合适的材料制成。
在该示例中，转子12被配置为包括多对磁通屏障16和18，磁通屏障16和18可以被配置为气隙或者可以包括本领域常规的任何合适类型的绝缘材料。尽管仅示出了一对磁通屏障16和18的全部以及两对磁通屏障16和18的局部，但是在该示例中，六对磁通屏障16和18可以围绕转子12的外周界以60度角间隔开。自然地，转子12可以包括被认为适合于可变磁化机10所采用的环境的多对磁通屏障16和18。此外，如该示例所示，q轴穿过一对磁通屏障16和18的中心。然而，该对磁通屏障16和18可以相对于q轴定位于任何合适的位置，以实现在此讨论的本实施例的可操作性。
如进一步示出的，转子12的表面桥20存在于每个磁通屏障18的径向靠外的边界与转子12的外圆周22之间。此外，在相邻成对的磁通屏障16和18中的每个之间存在d轴磁通旁路24。在该示例中，表面桥20和d轴磁通旁路由与转子12相同的材料制成。然而，表面桥20和d轴旁路24可以由本领域已知的任何合适类型的材料制成。
此外，多个低矫顽力磁体26围绕转子12的圆周在相邻的成对磁通屏障16和18之间间隔开。如所示出的，这些磁体26中的每一个都相对于相邻的磁通屏障16的部分沿垂直方向或基本垂直的方向纵向延伸。然而，磁体26可以被配置为任何合适的尺寸和形状。同样地，在该示例中，转子12包括六个磁体26，这六个磁体26位于六对磁通屏障16和18之间并且围绕转子12在圆周方向上以60度间隔隔开。但是，磁体26的数量可以相对于成对的磁通屏障16和18的数量的变化而变化。此外，每个磁体26可以被配置为多个磁体。在该示例中，d轴穿过磁体26的中心。然而，磁体26可以相对于d轴定位于任何合适的位置，以实现在此讨论的本实施例的可操作性。
定子14包括多个定子齿28和诸如绕组(未示出)的其他组件，这些组件可以以任何常规方式进行配置。在该示例中，定子齿28被配置为如本领域已知的宽的定子齿。然而，定子齿28可以具有任何合适的尺寸，并且定子14可以包括任何数量的定子齿28以实现在此讨论的本实施例的可操作性。在该示例中，定子齿28向定子14的内圆周30开口，但是如果需要可以闭合。此外，在转子12的外圆周22与定子14的内圆周30之间存在空气隙32，使得转子12能够关于中心轴34不受限制地或基本不受限制地旋转。
现在参考图2、可变磁化机控制器100(在下文中称为“控制器100”)的组件的示例。控制器100用于车辆中以控制可变磁化机10。所述车辆可以是电动车辆或HEV，例如汽车、卡车、SUV或任何其它合适类型的车辆。如本领域中所理解的，当驾驶员踩下油门时，加速信号被输入到电子控制单元(ECU)(未示出)或任何其它合适类型的控制器。此外，速度传感器(例如，转速计或任何其他合适类型的传感器)感测例如车辆的驱动轮的转速并向ECU提供车速信号。ECU的配置在本领域中是公知的。因此，为了简洁将省略详细描述。
如本领域所理解的，ECU输出信号以控制可变磁化机10的速度和扭矩以达到适当的机器操作状态来实现期望的车辆加速。此外，ECU以本领域公知的方式输出表示目标磁化状态(M/S)信号M*(以下称为“目标M/S信号M*”)和磁化状态(M/S)改变标志信号Q(以下称为“M/S改变标志信号Q”)的信号，以用于可变磁化机10的磁化状态控制。具体地，ECU与目标M/S信号M*同步地输出作为脉冲信号的M/S改变标志信号Q，使得根据该脉冲信号来进一步控制可变磁化机10。目标M/S信号M*表示可变磁化机10的目标磁化状态，例如可变磁化机10的磁体的磁化率(％)。如本领域所理解的，ECU可以计算目标M/S信号M*与M/S改变标志信号Q。因此，为了简洁将省略详细描述。
如图2所示，控制器100(其可以是磁化状态和扭矩控制器)接收表示目标M/S信号M*和M/S改变标志信号Q的信号，并输出磁化状态和扭矩控制信号(例如，脉宽调制(PWM)信号)，以控制可变磁化机10。也就是说，控制器100耦合到电动力系统，所述电动力系统例如包括电池、逆变器装置118和可变磁化机10等。在该示例中，逆变器装置118可以是例如脉宽调制器(PWM)电压逆变器、或者本领域中所理解的任何其他合适类型的逆变器配置。
如图2所示，该示例中的控制器100包括：磁化状态变化磁链轨迹控制模块114(以下称为“M/S变化磁链轨迹控制模块114”)(例如，本申请的控制器)、总损耗最小化电流矢量指令模块110、电流调节器112、旋转框架/固定框架组件115、固定框架/旋转框架组件116、以及磁化状态估计器/磁链观测器138(以下称为“M/S估计器/磁链观测器138”)。在该示例中，旋转框架/固定框架组件115的输出耦合到所述电动力系统，并且特别地，旋转框架/固定框架组件115的输出耦合到向可变磁化机10提供动力的逆变器装置118。
如本领域技术人员可以理解的，控制器100优选地包括至少一个具有控制程序的微型计算机，该微型计算机控制下面讨论的控制器100的组件。因此，该微型计算机(或多个微型计算机)可以被配置和编程以实现以下各项中的任何一项或全部：M/S变化磁链轨迹控制模块114、总损耗最小化电流矢量指令模块110、电流调节器112、旋转框架/固定框架组件115、固定框架/旋转框架组件116、以及M/S估计器/磁链观测器138。控制器100包括其它常规组件,例如，输入接口电路、输出接口电路、以及诸如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机存取存储器)装置的存储装置。本领域技术人员从本公开中将显而易见的是，控制器100的精密结构和算法可为将执行本发明的功能的硬件和软件的任何组合。换句话说，在说明书和权利要求书中使用的“装置加功能”条款应当包括可以用来执行“装置加功能”条款的功能的任何结构或硬件和/或算法或软件。此外，控制器100可以以本领域所理解的任何适当的方式与可变磁化机10通信。此外，尽管控制器100的多个组件被描述为模块，但是这些组件不需要是单独的或分离的组件，并且一个组件或模块可以执行本文所讨论的多个组件或模块的操作。此外，每个模块可以包括如上所述的微控制器，或者多个模块可以共享一个或多个微控制器。
此外如图2所示，例如响应于车辆驾驶员试图加速车辆，总损耗最小化电流矢量指令模块110从例如ECU(未示出)接收扭矩命令T* em和感测(或估计)的转子12的转速信号ω。作为响应，总损耗最小化电流矢量指令模块110输出d轴电流指令信号i* ds和q轴电流指令信号i* qs，以用于选择最佳d轴电流id和最佳q轴电流iq。也就是说，在该示例中，总损耗最小化电流矢量指令模块110将d轴电流指令信号i* ds和q轴电流指令信号i* qs输出到电流调节器112。
此外如图2所示，M/S变化磁链轨迹控制模块114接收感测(或估计)的转速信号ω、以及目标M/S信号M*和M/S改变标志信号Q。此外，M/S变化磁链轨迹控制模块114从M/S估计器/磁链观测器138接收估计的磁化信号和估计的定子磁链M/S变化磁链轨迹控制模块114还从逆变器装置118接收DC总线电压信号VDC。然后，M/S变化磁链轨迹控制模块114计算或生成dq轴平面上的磁链矢量的目标轨迹，并根据该磁链矢量的目标轨迹来输出d轴电压指令信号和q轴电压指令信号换句话说，M/S变化磁链轨迹控制模块114(例如，控制器)基于感测或估计的转速信号ω(例如，转子的转速)、估计的磁化信号(例如，当前磁化水平)、目标M/S信号M*(例如，目标磁化水平)、估计的定子磁链(例如，定子磁链量)、和DC总线电压信号VDC(例如，逆变器输出电压容量)，来计算dq轴平面上的磁链矢量的目标轨迹。将在后面描述M/S变化磁链轨迹控制模块114的处理。
M/S改变标志信号Q还被提供给电流调节器112以及开关134和136。当磁化状态将被改变时，M/S改变标志信号Q取高值。因此，根据M/S改变标志信号Q的状态，开关134将被控制以将从M/S变化磁链轨迹控制模块114接收的d轴电压指令信号或者从电流调节器112接收的d轴电压指令信号提供给旋转框架/固定框架组件115。类似地，根据M/S改变标志信号Q的状态，开关136将被控制以将从M/S变化磁链轨迹控制模块114接收的q轴电压指令信号或者从电流调节器112接收的q轴电压指令信号提供给旋转框架/固定框架组件115。因此，控制器100控制开关134和136在提供M/S变化磁链轨迹控制模块114的输出和电流调节器112的输出之间交替以控制d轴电压和q轴电压。例如，当磁化状态将被改变时(即，当M/S改变标志信号Q取高值时)，开关134和136将被控制以将从M/S变化磁链轨迹控制模块114接收的d轴电压指令信号和q轴电压指令信号提供到旋转框架/固定框架组件115。M/S改变标志信号Q也可以根据指示来重置电流调节器112。因此，当控制器100控制开关134和136以提供M/S变化磁链轨迹控制模块114的输出以控制d轴电压和q轴电压时，控制器100可以利用M/S改变标志信号Q来去激活电流调节器112中的积分器和累加器中的至少一个。
此外如图2所示，旋转框架/固定框架组件115将电压信号提供到逆变器装置118，逆变器装置118将电压Va、Vb和Vc提供到可变磁化机10的三极。如图2所示，如本领域所理解的，逆变器装置118输出指示DC总线电压的DC总线电压信号VDC，其中DC总线电压被施加到逆变器装置118。此外如图2所示，电流传感器128感测与施加到可变磁化机10的Va、Vb和Vc相关联的电流。电流传感器128将感测到的电流信号Ia、Ib和Ic提供到固定框架/旋转框架组件116。因此，固定框架/旋转框架组件116将检测到的d轴电流信号ir ds和检测到的q轴电流信号ir qs提供到电流调节器112和M/S估计器/磁链观测器138。如本领域所理解的，电流调节器112基于从固定框架/旋转框架组件116反馈的d轴电流信号ir ds和检测到的q轴电流信号ir qs，来调节d轴电压指令信号和q轴电压指令信号
此外如图2所示，控制器100包括M/S估计器/磁链观测器138。M/S估计器/磁链观测器138基于固定框架/旋转框架组件116所提供的相电流测量值(即，检测到的d轴电流信号ir ds和检测到的q轴电流信号ir qs)以及开关134和136所提供的逆变器输出电压指令值(即，d轴电压指令和q轴电压指令)中的至少一个来估计可变磁化机10的当前磁化状态(例如，当前磁化水平)和定子磁链量。例如，如本领域所理解的，M/S估计器/磁链观测器138可以基于由固定框架/旋转框架组件116所提供的检测到的d轴电流信号ir ds和检测到的q轴电流信号ir qs来估计可变磁化机10的当前磁化状态。而且，M/S估计器/磁链观测器138可以被配置为用于与可变磁化机10相关联的机电状态变量的Luenberger型观测器。在该示例中，如本领域所理解的，M/S估计器/磁链观测器138可以基于固定框架/旋转框架组件116所提供的检测到的d轴电流信号ir ds和检测到的q轴电流信号ir qs以及开关134和136所提供的逆变器输出电压指令值(即，d轴电压指令和q轴电压指令)来估计定子磁链量。然后，M/S估计器/磁链观测器138将指示可变磁化机10的当前磁化状态的估计的磁化信号和指示定子磁链量的估计的定子磁链输出到M/S变化磁链轨迹控制模块114。
图3A和图3B示出了根据第一实施例的由M/S变化磁链轨迹控制模块114生成的磁链矢量的目标轨迹的示例。基本上，用于改变可变磁化机10的磁化状态的磁化状态控制是通过改变磁体磁链来使可变磁化机10的磁体26磁化/消磁的过程。具体而言，在该磁化状态控制期间，磁链矢量的尖端画出从初始操作点(例如，初始稳定状态)延伸到目标磁化点(例如，全部磁化点或部分磁化点)、然后从目标磁化点返回到最终操作点(例如，最终稳定状态)的轨迹，而不与消磁边界交叉。然后，M/S变化磁链轨迹控制模块114根据磁链矢量的目标轨迹来输出d轴电压指令信号和q轴电压指令信号
具体而言，在所示实施例中，如本领域所理解的，M/S变化磁链轨迹控制模块114根据目标M/S信号M*来确定目标磁链λmagnetize。例如，如本领域所理解的，控制器100可以预先存储指示目标M/S信号M*与目标磁链λmagnetize之间的关系的表格，然后M/S变化磁链轨迹控制模块114可以基于该表格、根据目标M/S信号M*来确定目标磁链λmagnetize。当然，M/S变化磁链轨迹控制模块114可以按照本领域所知的任何其它方式根据目标M/S信号M*来确定目标磁链λmagnetize。
此外，M/S变化磁链轨迹控制模块114以下述方式生成从初始或当前操作点到目标磁化点(即，目标磁链λmagnetize)再返回到最终操作点的磁链矢量的目标轨迹。然后，M/S变化磁链轨迹控制模块114根据磁链矢量的目标轨迹来输出d轴电压指令信号和q轴电压指令信号以产生可变磁化机10中的磁链。如本领域所理解的，M/S变化磁链轨迹控制模块114可以根据磁链矢量的目标轨迹来计算d轴电压指令信号和q轴电压指令信号例如，如本领域所理解的，M/S变化磁链轨迹控制模块114计算或输出d轴电压指令信号和q轴电压指令信号以最小化由磁链矢量的目标轨迹给出的磁链与从M/S估计器/磁链观测器138反馈的估计的定子磁链之间的误差。当然，M/S变化磁链轨迹控制模块114可以以本领域所理解的任何其它合适的方式来计算或输出d轴电压指令信号和q轴电压指令信号例如，M/S变化磁链轨迹控制模块114可以利用从M/S估计器/磁链观测器138反馈的估计的磁化信号和估计的定子磁链来计算d轴电压指令信号和q轴电压指令信号以最小化与目标M/S信号M*和磁链矢量的目标轨迹有关的误差。
现在参考图3A和图3B，将描述根据第一实施例的目标轨迹生成。图3A示出了dq轴平面上的从目标磁化点105(目标磁链λmagnetize)到最终操作点106的磁链矢量104的目标轨迹101。换句话说，目标轨迹101是磁链矢量104在磁化到由目标M/S信号M*所表示的目标磁化点105之后，在移回到最终操作点106之前的轨迹。图3A还示出了基圆102和额定电压圆103。基圆102指示最终操作点106的位置。额定电压圆103指示具有额定电压的磁链矢量104的边界。
在所示实施例中，如图3A所示，磁链矢量104的目标轨迹101在dq轴平面上关于dq轴平面的原点O具有弯曲的顺时针轨迹，并且磁链矢量104的大小在时间上变化。在这里，dq轴平面是d轴沿永磁体磁通的方向指向、而q轴在转子12的旋转方向上在d轴之前90度电角度处的同步参考坐标系。换句话说，q轴垂直于d轴，并沿转子12的旋转方向的方向指向。
此外，在所示实施例中，磁链矢量104具有位于dq轴平面的原点O处的起点，并且当磁化状态改变为比当前磁化量更大的磁化量时，磁链矢量104在目标磁化点105处(例如，目标磁化完成时)的大小大于在这之后的时刻的磁链矢量104的大小。
此外，在所示实施例中，如图3A所示，dq轴平面上的磁链矢量104的目标轨迹101具有渐开线轨迹或基本渐开线轨迹。具体而言，在所示实施例中，目标轨迹101相对于基圆102是渐开线。
此外，在所示实施例中，dq轴平面上的磁链矢量104的目标轨迹101具有由以下公式(1)表示的渐开线轨迹或基本渐开线轨迹：
其中θ＝cos-1(λdq/λmagnetize)，λdq表示渐开线轨迹的基圆102的基圆半径，λmagnetize表示目标磁化点105处的目标磁链，V表示施加到逆变器装置118的给定电压或DC总线电压，p表示可变磁化机10的极对的数量，ω表示转子12的转子转速，以及t表示目标磁化后的时间(即，目标磁化完成后的时间)。
具体而言，对于公式(1)，如本领域所理解的，基圆半径λdq可以提前预先确定并被存储在控制器100中，或者可以根据初始操作状态或最终操作状态进行设置。如本领域所理解的，可以基于目标M/S信号M*来计算目标磁链λmagnetize。可以基于来自逆变器装置118的DC总线电压信号VDC来获取DC总线电压V。此外，极对的数量p可以被预先存储在控制器100中，并且如上所述可以从ECU接收转子转速ω。
在所示实施例中，从目标磁化点105到额定电压圆103内的最终操作点106的磁链矢量104的目标轨迹101被计算为由公式(1)表示的渐开线。当然，也可以如本领域中所知的那样使用公式(1)以相同的方式来计算从初始操作点到目标磁化点105的磁链矢量104的目标轨迹。可替换地，可以以如本领域所知的任何其他合适的方式来计算从初始操作点到目标磁化点105的磁链矢量104的目标轨迹。在这种情况下，从初始操作点到目标磁化点105的磁链矢量104的目标轨迹在dq轴平面上也具有关于dq轴平面的原点O的弯曲的顺时针轨迹，并且磁链矢量104的大小在时间上变化。
图3B示出了αβ轴平面上的从目标磁化点105到最终操作点106的磁链矢量104的目标轨迹101。当磁链矢量104在dq轴平面上描绘出图3A所示的渐开线轨迹或基本渐开线的轨迹101时，磁链矢量104在αβ轴平面上描绘出图3B中所示的直线轨迹(或直线路径)101。
具体而言，在所示实施例中，如图3B所示，αβ轴平面上的磁链矢量104的目标轨迹101具有直线轨迹或基本直线的轨迹。在这里，αβ轴平面是如下的固定参考坐标系：其中α轴与相位线圈中心(或中心轴34)一致且沿产生磁动势的方向指向，使得当α轴与d轴一致时磁体磁链增加，且β轴在转子12的旋转方向上在α轴之前90度处。换句话说，β轴垂直于α轴，并沿转子12的旋转方向的方向指向。
此外，在所示实施例中，αβ轴上的目标轨迹101是具有基圆半径λdq并且中心与αβ轴平面的原点O一致的基圆102的切线。此外，该切线穿过αβ轴上的目标磁化点105(目标磁链λmagnetize)。
如图3A和图3B所示，在根据第一实施例的磁化状态控制期间，磁链矢量104的尖端从额定电压圆103内的初始操作点移动到目标磁化点105，然后返回到额定电压圆103内的最终操作点106。通常，当目标磁化点105(目标磁链λmagnetize)在额定电压圆103之外时，磁链矢量104难以适当地移动到目标磁化点105并返回到最终操作点106，而不引起比逆变器装置118的电压极限大的过电压。
但是，在所示实施例中，从公式(1)可知，dq轴平面上的电压方程式中的速度电动势这一项可以通过在dq轴平面上以速度pω旋转磁链矢量104进行抑制。因此，即使目标磁化点105位于额定电压圆103之外，磁链矢量104也可以从额定电压圆103内的初始操作点适当地移动到目标磁化点105，然后从目标磁化点105返回到额定电压圆103内的最终操作点106。
此外，在所示实施例中，如图3B所示，磁链矢量104的目标轨迹101是直线。因此，不管速度电动势如何，所供给的电压都可以最大限度地用于移动磁链矢量104。此外，通过描述上述目标轨迹101，磁链矢量104的大小在目标磁化完成后减小。因此，磁链矢量104的尖端所表示的操作点可以在防止消磁的同时移动到额定电压圆103内。
在这样的布置下，可以抑制磁化状态控制所需的电压，可以在不提供额外升压电路的情况下增大磁化状态控制期间的速度范围，并且即使在高速下也可以选定高效率所需的磁化水平，这也提高了电动机效率。
根据本申请的一方面，磁链矢量104的目标轨迹101在dq轴平面上具有弯曲的顺时针轨迹，并且磁链矢量104的大小在时间上变化。因此，可以减小磁化状态控制所需的电压。因此，可以在不提供额外升压电路的情况下执行可变磁化机10的磁化，这也提高了电动机效率。
根据本申请的一方面，磁化完成时的磁链矢量104的大小大于在这之后的时刻的磁链矢量104的大小。因此，可以防止磁化完成之后在过渡到最终操作点(或最终稳定状态)时磁体(例如，低矫顽力磁体26)的消磁。因此，可以增加磁化期间的速度范围，并且即使在高速下也可以选定高效率所需的磁化水平，这也提高了电动机效率。
根据本申请的一方面，dq轴平面上的磁链矢量104的目标轨迹101具有渐开线轨迹或基本渐开线轨迹。因此，可以改善用于改变磁链矢量104的电压使用率。因此，可以增加磁化期间的速度范围，并且即使在高速下也可以选定高效率所需的磁化水平，这也提高了电动机效率。
根据本申请的一方面，提供了被配置为计算dq轴平面上的磁链矢量104的目标轨迹101的控制块(即，M/S变化磁链轨迹控制模块114)。因此，相对于常规控制块，只需要很小的改变就可以执行磁化/消磁状态控制。因此，可以在抑制成本增加的同时提高电动机效率。
根据本申请的一方面，提供了被配置为估计定子磁链量和当前磁化水平的控制块(即，M/S估计器/磁链观测器138)。因此，可以在不提供传感器等的情况下执行磁化/消磁状态控制。因此，可以在抑制成本增加的同时提高电动机效率。然而，可替代地，代替提供M/S估计器/磁链观测器138，控制器100可以包括分别感测定子磁链量和当前磁化水平的传感器。在这种配置下，可以减少控制器100的计算负荷。
在所示实施例中，M/S变化磁链轨迹控制模块114产生从目标磁化点105到基圆102上的最终操作点106的目标轨迹101。然而，在到达基圆102上的最终操作点106之后，如本领域所理解的，可以根据需要和/或期望，操作点可以进一步移动至基圆内的稳态点。
第二实施例
现在参考图4，现在将解释根据第二实施例的可变磁化机控制器100(也称为控制器100)的组件的示例。鉴于第一实施例和第二实施例之间的相似性，与第一实施例的部分相同或基本相同的第二实施例的部分将被给予与第一实施例的部分相同的附图标记。此外，为了简洁起见，可以省略与第一实施例的部分相同的第二实施例的部分的描述。基本上，除了下面描述的目标轨迹生成之外，根据第二实施例的控制器100与根据第一实施例的控制器100相同。
利用根据第一实施例的控制器100，如图3A所示，dq轴平面上的磁链矢量104的目标轨迹101具有由公式(1)表示的渐开线轨迹或基本渐开线的轨迹。如图4所示，根据第二实施例的dq轴平面上的磁链矢量206的目标轨迹203具有除了公式(1)之外还由公式(2)表示的渐开线轨迹或基本渐开线的轨迹：
λdq≤λrated (2)
其中λrated表示给定电压或DC总线电压V、以及给定转子速度下的额定磁链。
具体而言，控制器100的M/S变化磁链轨迹控制模块114(参见图2)以上述方式生成根据第二实施例的目标轨迹203。特别地，如本领域所知，可以基于DC总线电压信号VDC来计算额定磁链λrated，并且M/S变化磁链轨迹控制模块114可以通过除了公式(1)之外，进一步考虑公式(2)来生成根据第二实施例的目标轨迹203。
图4示出了在dq轴平面上相对于具有基圆半径λdq′的基圆202、由公式(1)表示的渐开线目标轨迹201，以及在dq轴上相对于具有基圆半径λrated的基圆204、由公式(1)表示的渐开线目标轨迹203。如图4所示，基圆202的基圆半径λdq′小于基圆204的基圆半径λrated。因此，如本领域所理解的，目标轨迹201也满足公式(1)和(2)。然而，由于下述原因，目标轨迹203是优选的。
如图4所示，基圆202的基圆半径λdq′小于基圆204的基圆半径λrated，而目标轨迹203上的磁链矢量206的q轴分量(q轴分量的最大绝对值)小于目标轨迹201上的磁链矢量205的q轴分量(q轴分量的最大绝对值)。通常，如图4所示，磁链矢量的q轴分量随着基圆的基圆半径变大而变小。此外，对于可变磁化机10，扭矩输出随着磁链矢量的q轴分量变小而变小。另一方面，如果基圆的基圆半径λdq超过额定磁链λrated，则磁链矢量的操作点不能回到额定电压圆之内的点。因此，考虑到对扭矩波动的抑制，基圆的基圆半径λdq被设置为在额定磁链λrated以内尽可能大，如在公式(2)中所示。具体而言，基圆的基圆半径λdq被优选地设定为额定磁链λrated，以获得相对于具有基圆半径λrated的基圆204的目标轨迹203。
在这样的布置下，可以抑制磁化控制期间的扭矩波动。因此，在抑制磁化控制期间的噪声和振动的同时，可以提高电动机效率。
根据本申请的一方面，dq轴平面上的磁链矢量的目标轨迹203或201具有由公式(1)和(2)表示的渐开线轨迹或基本渐开线的轨迹。因此，可以降低磁化控制期间的扭矩波动。因此，在抑制磁化控制期间的噪声和振动的同时，可以提高电动机效率。
第三实施例
现在参考图5A和图5B，现在将解释根据第三实施例的可变磁化机控制器100(也称为控制器100)的组件的示例。鉴于第一实施例和第三实施例之间的相似性，与第一实施例的部分相同或基本相同的第三实施例的部分将被给予与第一实施例的部分相同的附图标记。此外，为了简洁起见，可以省略与第一实施例的部分相同的第三实施例的部分的描述。基本上，除了下面描述的目标轨迹生成之外，根据第三实施例的控制器100与根据第一实施例的控制器100相同。
利用根据第三实施例的控制器100，如图5A所示，在具有基圆半径λdq的基圆303的切线302(目标轨迹304)变为平行于αβ轴平面的α轴时，其中该切线302在αβ轴平面上的目标磁化点305处穿过目标磁链λmagnetize，对目标磁化点305的磁化(例如，目标磁化)完成。此外，如图5B所示，在将目标磁化点305(目标磁链λmagnetize)磁化之后，在αβ轴平面上的磁链矢量301的目标轨迹304(见图5A)到达具有基圆半径λdq的基圆303之前，αβ轴平面上的电压矢量311保持相同或基本相同。如图5B所示，电压矢量311平行于或基本平行于αβ轴平面的α轴，并具有等于或基本等于逆变器最大输出电压的大小。
具体而言，控制器100的M/S变化磁链轨迹控制模块114(参见图2)以第一实施例或第二实施例中所述的方式生成目标轨迹。此外，M/S变化磁链轨迹控制模块114生成从初始操作点到目标磁化点305(目标磁链λmagnetize)的目标轨迹，使得在基圆303的穿过目标磁链λmagnetize的切线302变为平行于α轴时磁链矢量301到达目标磁化点305。当然，M/S变化磁链轨迹控制模块114可以生成从目标磁化点305到最终操作点的目标轨迹，使得在基圆303的穿过目标磁链λmagnetize的切线302变为平行于α轴时磁链矢量301离开目标磁化点305。
具体而言，图5A示出了αβ轴平面上的磁链矢量301、磁链矢量301的目标轨迹304、和具有基圆半径λdq的基圆303，而图5B示出了电压矢量311、和电压矢量311的六边形边界312。如第一实施例所示，磁链矢量301相对于αβ轴平面的时间变化对应于可变磁化机10的所需电压。因此，当磁链矢量301的目标轨迹304是如图5A所示的直线时，αβ轴平面上的电压相位与磁链矢量的轨迹304的方向一致或基本上一致、并且保持恒定，直到磁链矢量301移动到基圆303(例如，额定电压圆)为止。如图5B所示，六边形边界312表示可变磁化机10由逆变器装置118驱动时，可用的电压矢量311的范围，并且所述六边形边界312具有六边形形状。如本领域所理解的，当电压矢量311的尖端位于六边形边界312的顶点上时，电压矢量311的大小变为最大。通过这样的布置，通过在上述时刻完成磁化，可以施加所需电压，直到磁链矢量301到达基圆303(例如，额定电压圆)为止，同时电压矢量311的尖端停留在六边形边界312的顶点处，因此可以最大化电压使用率。
在这样的布置下，可以增加磁化状态控制期间的速度范围，并且即使在高速下也可以选定高效率所需的磁化水平，这也提高了电动机效率。
根据本申请的一方面，在具有基圆半径λdq的基圆303的切线302变为平行于αβ轴平面的α轴的时刻，磁化完成，其中该切线302在αβ轴平面上的目标磁化处穿过目标磁链λmagnetize。因此，相对于稳态操作点的可用电压，在磁化状态控制期间可以使用更高的电压。因此，可以增加磁化状态控制期间的速度范围，并且即使在高速下也可以选定高效率所需的磁化水平，这也提高了电动机效率。
根据本申请的一方面，αβ轴平面上的电压矢量311保持恒定或基本恒定，其中电压矢量311平行于或基本上平行于α轴、并具有等于或基本等于最大逆变器输出电压的大小。因此，最大逆变器输出电压可以有效地用于磁化控制。因此，可以增加磁化状态控制期间的速度范围，并且即使在高速下也可以选定高效率所需的磁化水平，这也提高了电动机效率。
第四实施例
现在参考图6A和图6B，现在将解释根据第四实施例的可变磁化机控制器100(也称为控制器100)的组件的示例。鉴于第一实施例和第四实施例之间的相似性，与第一实施例的部分相同或基本相同的第四实施例的部分将被给予与第一实施例的部分相同的附图标记。此外，为了简洁起见，可以省略与第一实施例的部分相同的第四实施例的部分的描述。基本上，除了下面描述的目标轨迹生成之外，根据第四实施例的控制器100与根据第一实施例的控制器100相同。
利用根据第四实施例的控制器100，如图6A和图6B所示，从磁化状态控制的初始操作点401(例如，磁化状态控制的开始)到对目标磁化点402(目标磁链λmagnetize)的磁化完成的扭矩输出值的时间积分411，以及从对目标磁化点402的磁化完成到磁化状态控制的最终操作点403(例如，磁化状态控制的结束)的扭矩输出值的时间积分412，这两者之和等于或基本等于零。
具体而言，控制器100的M/S变化磁链轨迹控制模块114(参见图2)以第一实施例、第二实施例或第三实施例中所述的方式生成目标轨迹。例如，如本领域所理解的，M/S变化磁链轨迹控制模块114以第一实施例或第二实施例中所描述的方式、基于公式(1)或者公式(1)和公式(2)，来生成从目标磁化点402到最终操作点403的目标轨迹406。M/S变化磁链轨迹控制模块114还估计或计算在磁链矢量描述从目标磁化点402到最终操作点403的目标轨迹406时的扭矩输出值的时间积分412，然后生成目标轨迹405，使得时间积分412和时间积分411之和等于或基本等于零，其中时间积分411是当磁链矢量描述从初始操作点401到目标磁化点402的目标轨迹405时的扭矩输出值的时间积分。
具体而言，图6A示出了dq轴平面上从初始操作点401延伸到目标磁化402的目标轨迹405以及dq轴平面上从目标磁化402延伸到最终操作点403的目标轨迹406。图6B示出了当磁链矢量的尖端沿目标轨迹405和目标轨迹406移动时的扭矩输出的时间变化。特别地，如上所述，目标轨迹405和406被设置为使得从初始操作点401到目标磁化402的扭矩输出的时间积分411以及从目标磁化402到最终操作点403的扭矩输出的时间积分412之和等于或基本等于零。换句话说，磁链矢量的目标轨迹405和406被设置为使得与正扭矩输出的时间积分411相对应的面积和与负扭矩输出的时间积分412相对应的面积彼此相等或彼此基本相等。
通常，从可变磁化机到车辆的实际输出单元的传动系统等效于弹簧质量系统，并且具有机械共振。如果由于磁化状态控制引起的扭矩变化具有接近机械共振的频率分量，则在该传动系统中发生持续的振动。另一方面，在整个磁化状态控制期间，当扭矩输出的时间变化的时间积分值被设置为零或基本上为零时，则振动和阻尼互相抵消，这抑制了持续振动。
在这样的布置下，可以在抑制磁化控制期间的噪声和振动的同时提高电动机效率。
根据本申请的一方面，从磁化状态控制开始到对目标磁化点的磁化完成的扭矩输出的时间积分值、以及从对目标磁化点的磁化完成到磁化状态控制结束的扭矩输出的时间积分值，这两者之和等于或基本等于零。因此，可以抑制磁化控制后的振动。因此，可以在抑制磁化控制期间的噪声和振动的同时提高电动机效率。
术语的一般解释
在理解本发明的范围时，本文所使用的术语“包含”及其派生词旨在是开放式术语，其指定所陈述的特征、元件、组件、组、整体和/或步骤的存在，但是不排除其他未陈述的特征、元件、组件、组、整体和/或步骤的存在。前述内容也适用于具有类似含义的词语，如术语“包括”、“具有”和它们的派生词。此外，当以单数使用术语“部分”、“片段”、“部”、“部件”或“元件”时，这些术语可以具有单个部分或多个部分的双重含义。本文所使用的诸如“基本”、“约”和“近似”的程度术语意味着修改项的合理偏差量，使得最终结果不会发生显着改变。
尽管仅选择了选定的实施例来说明本发明，但是对于本领域技术人员来说，根据本公开将显而易见的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。例如，各种组件的尺寸、形状、位置或取向可以根据需要和/或期望而改变。显示为直接连接或彼此接触的组件可以具有设置在它们之间的中间结构。一个元件的功能可以由两个元件来执行，反之亦然。一个实施例的结构和功能可以在另一个实施例中采用。所有优点不一定同时存在于特定实施例中。独立于现有技术的、单独的或与其他特征组合的每个特征也应该被认为是申请人对进一步发明的单独描述，包括由这些特征体现的结构和/或功能概念。因此，根据本发明的实施例的前述描述仅提供用于说明，而不是为了限制由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的目的。

Claims (13)

1.一种用于可变磁化机的磁化状态控制方法，所述方法包括：
在改变所述可变磁化机的磁化状态时产生磁链矢量，使得所述磁链矢量的轨迹在dq轴平面上具有弯曲的顺时针轨迹，并且所述磁链矢量的大小在时间上变化，其中所述dq轴平面为d轴沿永磁体磁通的方向指向、而q轴在转子的旋转方向上在d轴之前90度处的同步参考坐标系。
2.根据权利要求1所述的磁化状态控制方法，其中
所述磁链矢量具有位于所述dq轴平面的原点处的起点，以及
当将所述磁化状态改变为比当前磁化量更大的磁化量时，目标磁化完成时刻的磁链矢量的大小大于这之后时刻的磁链矢量的大小。
3.根据权利要求1或2所述的磁化状态控制方法，其中
所述dq轴平面上的所述磁链矢量的轨迹具有由以下公式(1)所表示的实质渐开线轨迹：
<mfenced open='[' close=']'> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>magnetize</mi> </msub> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>p&amp;omega;t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>Vt </mi> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <mi>p&amp;omega;t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>q</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>magnetize</mi> </msub> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>p&amp;omega;t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>Vt </mi> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <mi>p&amp;omega;t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mfenced>
其中θ＝cos-1(λdq/λmagnetize)，λdq表示所述渐开线轨迹的基圆半径，λmagnetize表示目标磁化处的目标磁链，V表示给定电压，p表示极对的数量，ω表示转子转速，t表示所述目标磁化后的时间，以及
αβ轴平面上的所述磁链矢量的轨迹具有实质直线的轨迹，其中所述αβ轴平面是如下的固定参考坐标系：α轴与相位线圈中心一致且沿产生磁动势的方向指向使得当所述α轴与所述d轴一致时磁体磁链增加，且β轴在所述转子的旋转方向上在所述α轴之前90度处。
4.根据权利要求3所述的磁化状态控制方法，其中
所述dq轴平面上的所述磁链矢量的轨迹具有由以下公式(2)进一步表示的实质渐开线轨迹：
λdq≤λrated (2)
其中λrated表示给定电压和转子速度下的额定磁链。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁化状态控制方法，其中
在具有基圆半径λdq的基圆的切线变为平行于αβ轴平面的α轴时，目标磁化的磁化完成，其中该切线在所述αβ轴平面上的目标磁化处穿过目标磁链λmagnetize。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁化状态控制方法，其中
在对目标磁化进行磁化后，在αβ轴平面上的磁链矢量的轨迹到达具有基圆半径λdq的基圆之前，所述αβ轴平面上的电压矢量保持实质相同，其中所述电压矢量实质平行于所述αβ轴平面的α轴、并具有实质等于逆变器最大输出电压的大小。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁化状态控制方法，其中
从磁化状态控制开始到目标磁化的磁化完成的扭矩输出值的时间积分、以及从所述目标磁化的磁化完成到磁化状态控制结束的扭矩输出值的时间积分，这两者之和实质等于零。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁化状态控制方法，还包括：
基于转子转速、当前磁化水平、目标磁化水平、定子磁链量、和逆变器输出电压容量，来计算所述dq轴平面上的所述磁链矢量的目标轨迹。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的磁化状态控制方法，还包括：
基于相电流测量值和逆变器输出电压指令值中的至少一个，来估计定子磁链量和当前磁化水平。
10.一种用于可变磁化机的磁化状态控制装置，所述磁化状态控制装置包括：
控制器，其被配置为计算磁链矢量的目标轨迹，以在改变所述可变磁化机的磁化状态时产生磁链矢量，使得所述磁链矢量的轨迹在dq轴平面上具有弯曲的顺时针轨迹，并且所述磁链矢量的大小在时间上变化，其中所述dq轴平面为d轴沿永磁体磁通的方向指向、而q轴在转子的旋转方向上在所述d轴之前90度处的同步参考坐标系。
11.根据权利要求10所述的磁化状态控制装置，其中
所述磁链矢量具有位于所述dq轴平面的原点处的起点，以及
当将所述磁化状态改变为比当前磁化量更大的磁化量时，目标磁化完成时刻的磁链矢量的大小大于这之后时刻的磁链矢量的大小。
12.根据权利要求10或11所述的磁化状态控制装置，其中
所述控制器基于转子转速、当前磁化水平、目标磁化水平、定子磁链量、和逆变器输出电压容量，来计算所述dq轴平面上的所述磁链矢量的目标轨迹。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的磁化状态控制装置，还包括：
估计器，其被配置为基于相电流测量值和逆变器输出电压指令值中的至少一个，来估计定子磁链量和当前磁化水平。
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