CN108736777A - 利用弱磁对六步脉宽调制控制 - Google Patents
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Abstract
电机组件包括电机，电机具有被配置为具有定子电流的定子以及被配置为接收转矩命令(T)的控制器。控制器存储各自具有相应状态的调制标志(Fm)和六步激活标志(FS)。控制器具有处理器和有形非暂时性存储器，该存储器上记录有用于执行控制组件中的六步脉宽调制操作的方法的指令。该控制器被配置为至少部分地基于转矩命令(T)以及调制标志(Fm)的相应状态来确定六步激活标志(FS)的相应状态。控制器被配置为至少部分地基于六步激活标志(FS)的相应状态来控制电机的至少一个操作参数。
Description
背景技术
本公开总体上涉及电机组件的控制，并且更具体地涉及在组件中以弱磁控制六步脉宽调制。包括但不限于内置永磁电机和感应电机的电机包括可在定子内旋转的转子。定子通常包括多个定子绕组和具有交替极性的磁极。以更高速度减少电机内部的磁通量改进了电机的功率特性。通量可通过输送对应的电压限制命令来降低。
发明内容
电机组件包括具有定子的电机，该定子被配置为具有定子电流。控制器可操作地连接到电机并且被配置为接收转矩命令(T)。控制器被配置为存储各自具有相应状态的调制标志(Fm)和六步有效标志(FS)。控制器具有处理器和有形非暂时性存储器，该存储器上记录有用于执行方法的指令。该方法在转变进入和退出六步PWM操作模式时提供了平滑的弱磁功能，导致驾驶性能改进，使得减少了在六步转变期间经历的转矩颠簸。
处理器执行指令使得控制器至少部分地基于可用电压来确定调制指数(M)。控制器被编程为至少部分基于在前一时间步长(K-1)下的弱磁参考(FW)以及调制指数(M)来获得修改的调制指数(MR)。虽然至少部分地基于修改的调制指数(MR)来确定调制标志(Fm)的状态，但是至少部分地基于转矩命令(T)和调制标志(Fm)的状态来确定六步有效标志(FS)的状态。控制器被配置为至少部分地基于六步有效标志(FS)的相应状态来控制电机的至少一个操作参数。
获得修改的调制指数(MR)包括：如果在前一时间步长(K-1)下的弱磁参考(FW)等于或高于第一预定义阈值(R1)，则将修改的调制指数(MR)设定为高于调制指数(M)的最接近整数值。如果在前一时间步长(K-1)下的弱磁参考(FW)低于第一预定义阈值(R1)，则控制器被编程为将修改的调制指数(MR)设定为低于调制指数(M)的最接近整数值。
在确定调制标志(Fm)的相应状态之前，控制器被配置为将调制标志(Fm)和六步有效标志(FS)的相应状态均初始化为假。确定调制标志(Fm)的相应状态包括如果取整的调制指数(MR)等于或高于第二预定义阈值(R2)，则将调制标志(Fm)的相应状态设定为真。如果转矩命令(T)等于或高于第三预定义阈值(R3)或调制标志(Fm)为真，则控制器被编程为将六步有效标志(FS)的相应状态设定为真。可至少部分地基于电机速度和可用DC链路电压从查找表中获得第三预定义阈值(R3)。
控制器包括或可操作地连接到弱磁调节器。弱磁调节器被配置为至少部分基于转矩命令(T)、DC链路电压(或电池组电压)和电动机速度来获得弱磁因子(ΔIS)。
控制电机的至少一个操作参数包括基于六步有效标志(FS)的状态来选择用于弱磁调节器的参数。如果六步有效标志(FS)为真，则弱磁调节器可被配置为采用等于或高于六步电压限制阈值的第一电压限制和/或允许弱磁因子(ΔIS)为正或负。如果六步有效标志(FS)为假，则弱磁调节器可被配置为采用低于六步电压限制阈值的第二电压限制和/或将弱磁因子(ΔIS)约束为仅负值。六步电压限制阈值被定义为DC链路电压与(2/π)的乘积。
从以下结合附图对用于执行本公开的最佳模式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是具有电机和控制器的电机组件的示意局部部分剖视图；
图2是示出垂直轴线上的转矩(T)和调制指数值(M)以及水平轴线上的电动机速度(S)的示例曲线图；并且
图3是可由图1的控制器执行的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记指代相同部件，图1示意地说明了电机组件10。组件10包括电机12。组件10可为装置11的部件。装置11可为移动平台，诸如但不限于标准乘用车、越野车、轻型卡车、重型车辆、ATV、小型货车、公共汽车、公交车辆、自行车、机器人、农具、运动相关设备、船、飞机、火车或其它运输工具。装置11可为非移动平台。装置11可采取许多不同的形式并且包括多个和/或替代的部件和设施。
参考图1，电机12包括定子14和转子16。转子16可包括围绕转子芯22的外周边具有交替极性的第一永磁体18和第二永磁体20。根据应用需要，转子16可包括尽可能多的永磁体；为了简单起见，仅示出了两个。转子16能够在定子14内以转子速度(ω)旋转。虽然图1中所示的实施例说明了三相单极对(即两极)电机，但是应理解的是，相或极对的数量可变化。
定子14包括定子芯24，其可为具有中空内部的圆柱形形状。定子芯24可包括由间隙或狭槽28分开的多个向内突出的定子齿26A到26F。在图1中所示的实施例中，定子绕组30可可操作地连接到定子芯24，诸如例如围绕定子齿26A到26F卷绕。电机12可包括但不限于感应电机和同步电机。虽然示出了示例电机12，但是图中所说明的部件并非旨在限制。实际上，可使用附加的或替代的部件和/或实施方案。
定子14被配置为具有在定子绕组30中流动并且在定子14中引起旋转磁场的电流(在本文称为定子电流)。参考图1，定子绕组30可包括六组绕组；三相中的每一相(第一相通过定子绕组30A和30D，第二相通过定子绕组30B和30E以及第三相通过定子绕组30C和30F)具有一组绕组。替代地，可采用滑环或电刷(未示出)。参考图1，示出了正交(q)磁轴32和直接(d)磁轴34。第一永磁体18和第二永磁体20有助于产生磁场和磁通量。
可采用各种调制策略来控制电机12的输出。如本领域技术人员所理解的，六步脉宽调制(PWM)操作是其中在一个基本周期(即，电气速度)期间以六个间隔(对于三相逆变器)施加电压向量的操作模式。六步脉宽调制(PWM)操作在低到轻负载或转矩条件下提高组件10(电机12加脉宽调制(PWM)逆变器56)的效率，并且用于增加电压利用率以增加电机12的峰值转矩。六步脉宽调制(PWM)操作可用在从电机12的零转矩到峰值转矩能力的高速区域中。
参考图1，组件10包括可操作地连接到电机12或与电机12进行电子通信的控制器40。控制器40被配置为接收转矩命令(T)。参考图1，控制器40包括至少一个处理器42和至少一个存储器44(或非暂时性有形计算机可读存储介质)，在存储器44上记录有用于执行图3中所示的方法100的指令用于控制用于弱磁的六步脉宽调制操作。存储器44可存储控制器可执行指令集，并且处理器42可执行存储在存储器44中的控制器可执行指令集。
图1的控制器40具体被编程为执行方法100的框(如以下关于图3详细讨论的)并且可从各种传感器接收输入。参考图1，组件10可包括定子绕组温度传感器46、转子温度传感器48、磁通量传感器50，它们各自能够测量相应的物理因子并且将相应的信号发送到控制器40。另外，控制器40可被编程为通过对本领域技术人员可用的建模或其它估计技术来确定相应的物理因子。组件10可包括转子位置变换器，其测量转子16的位置并产生转子位置信号的51。电池组54可作为DC链路电压源可操作地连接到电机12。脉宽调制(PWM)逆变器56可操作地连接到控制器40和电池组54，并且被配置为将DC转换成AC电流。
方法100通过基于电机12的操作条件实现转变进入和退出六步脉宽调制操作模式而改进了组件10的功能。方法100在考虑操作条件的情况下产生动态参考因子用于平滑转变进入和退出六步操作。动态参考因子然后可被增强型弱磁调节器或需要触发器切换到六步脉宽调制的其它机构消耗。方法100被配置为消除在转变进入和退出六步操作模式期间经历的转矩颠簸(“颤振”)。
控制器40被编程或配置为接收转矩命令(T)。可由控制器40响应于由控制器40监测的操作者输入或自动馈送的输入条件而接收转矩命令(T)。如果装置11是车辆，则控制器40可基于从操作者通过图1中所示的加速器踏板58和制动踏板60的输入信号来确定转矩命令(T)。另外，控制器40被配置为存储各自具有相应状态的调制标志(Fm)和六步有效标志(FS)。
现在参考图3，示出了存储在图1的控制器40上并且可由其执行的方法100的流程图。方法100不需要以本文列举的特定顺序应用。另外，应该理解的是，可消除一些框。在图3的框110中，控制器40被配置为至少部分地基于所施加的稳态电压和电机12的可用电压来确定调制指数(M)。在一个示例中，调制指数(M)是所施加的稳态电压与可用电压之比的百分比值。参考图2，轨迹A1和A2以百分比示出了作为电动机速度(S)的函数的示例调制指数(M)。轨迹B1和B2示出了作为电动机速度(S)的函数的转矩命令(T)(或可用转矩)。参考图2，区域C指示六步转变区域。
在图3的框120中，控制器40被编程为至少部分基于在前一时间步长(K-1)下的弱磁参考以及调制指数(M)来获得修改的调制指数(MR)。如下所述，框120可包括子框121、123、125。
在子框121中，控制器40被编程为确定前一时间步长(K-1)处的弱磁参考是否等于或高于第一预定义阈值(R1)。如果是，则在子框123中，将修改的调制指数(MR)设定为高于调制指数(M)(即，向上取整)的最接近整数值。如果否，则在子框125中，控制器40被编程为将修改的调制指数(MR)设定为低于调制指数(M)的最接近整数值(即，向下取整)。在一个示例中，第一预定义阈值(R1)被选择为1.2。应该理解的是，第一、第二和第三预定义阈值(R1、R2、R3)中的每一个均可基于即时应用来选择。
在图3的方框130中，控制器40被配置为至少部分地基于修改的调制指数(MR)来确定调制标志(Fm)的相应状态。如下所述，框130可包括子框131、133、135。在确定调制标志(Fm)的相应状态之前，控制器40被配置为将调制标志(Fm)和六步有效标志(FS)的相应状态均初始化为假。
在子框131中，控制器40被编程为确定取整的调制指数(MR)是否等于或高于第二预定义阈值(R2)。如果是，则在子框133中，控制器40被编程以将调制标志(Fm)的相应状态设定为真。如果否，则在子框135中，控制器40被编程为将调制标志(Fm)的相应状态设定为为假(或保留该相应状态)。在非限制性示例中，第二预定义阈值(R2)可为98％。
在图3的框140中，控制器40被配置为至少部分地基于转矩命令(T)以及调制标志(Fm)的相应状态来确定六步有效标志(FS)的相应状态。如下所述，框140可包括子框141、143、145。
在子框141中，控制器40被编程为确定转矩命令(T)是否等于或高于第三预定义阈值(R3)或调制标志(Fm)是否为真。如果是，则根据子框143将六步有效标志(FS)的相应状态设定为真。如果否，则在子框145中，控制器40被编程为将六步有效标志(FS)的相应状态设定为假(或保留该相应状态)。可至少部分地基于电机12的速度和可用电压(例如，电池电压)从查找表中获得第三预定义阈值(R3)。术语“查找表”旨在表示本领域技术人员可用的表、数据储存库或其它数据存储装置。查找表可在测试发电机或实验室条件下获得。下表1中示出了用于第三预定义阈值(R3)的查找表的非限制性示例。例如，对于2000rpm的速度和400V的施加电压，第三预定义阈值(R3)可为300。
表1
| 电压/速度 | 1000rpm | 2000rpm | 6000rpm |
| 250V | 350 | 280 | 0 |
| 300V | 350 | 285 | 0 |
| 350V | 350 | 290 | 0 |
| 400V | 350 | 300 | 0 |
现在参考图1，组件10可包括弱磁调节器62(具有处理器P和存储器M)。弱磁调节器62可操作地连接到控制器40或者可为控制器40的组成部分。如本领域技术人员所理解的，弱磁调节器62可为比例积分(PI)单元，其输出具有正和负极限。
在图3的框150中，控制器40被配置为控制电机12的至少一个操作参数，该控制包括基于六步有效标志(FS)的状态来选择用于弱磁调节器62的参数。如果六步有效标志(FS)为真，则弱磁调节器62被配置为采用等于或高于六步电压限制阈值的第一电压限制和/或允许弱磁因子(ΔIS)为正或负。六步电压限制阈值被定义为DC链路电压与(2/π)的乘积。例如，第一电压限制可为六步电压限制阈值的105％。
如果六步有效标志(FS)为假，则弱磁调节器62被配置为采用低于六步电压限制阈值的第二电压限制和/或将弱磁因子(ΔIS)约束为负值。例如，第二电压限制可为六步电压限制阈值的97％。
在一个实施例中，如果六步有效标志(FS)为真，则弱磁因子(ΔIS)被赋予60安培的正极限、-60A的负极限和六步弱磁命令值(1.2)。在该实施例中，如果六步有效标志(FS)为假，则弱磁因子(ΔIS)被赋予零安培的正极限、-60A的负极限和非六步弱磁命令值(0.93)。
图1的弱磁调节器62被配置为至少部分基于转矩命令(T)、DC链路电压和电动机速度来产生弱磁因子(ΔIS)，并且修改来自预定义查找表的定子电流命令(IScmd)。修改的定子电流命令可被发送到电流调节器(未示出)用于控制电机12，以实现电机12的改进的高速电流控制和改进的转矩线性度。在所示的实施例中，弱磁参考(FW)(在框120中描述)与在前一周期中(即，在前一时间步长(K-1)处)确定的弱磁因子(ΔIS)相同。
获得弱磁因子(ΔIS)可包括：基于转矩命令(T)和DC链路电压产生相应的d轴命令电压和q轴命令电压。DC链路电压可由电池组54提供。基于相应的d轴和q轴命令电压产生电压幅度(Vm)。然后在电压幅度(Vm)和预定义参考电压(Vref)的比较上产生弱磁因子(ΔIS)。参考电压(Vref)可基于应用来选择。控制器40可依赖于在发电机或测试单元条件或本领域技术人员可用的其它方法中产生的查找表或数据储存库。可获得弱磁因子(ΔIS)作为本领域技术人员可用的其它弱磁控制模块的输出。
总之，方法100在电机12中转变进入和退出六步PWM操作时进行平滑电流控制。这通过至少部分基于稳定状态下的调制指数(M)以及六步有效标志(FS)的相应状态动态地选择用于弱磁调节器62的参数来实现，如下面在图3的流程图中所描述。基于六步有效标志(FS)的状态，可使用覆盖六步和非六步操作模式的单个弱磁调节器62，由此减少校准和电机控制的复杂性。方法100允许减少校准调谐迭代以在所有操作条件下实现期望的电流控制性能。
图1的控制器40可为组件10的其它控制器的整体部分，或者可操作地连接到组件10的其它控制器的单独模块。图1的控制器40(和图2的比例积分(PI)调节器62)包括计算机可读介质(又称为处理器可读介质)，其包括参与提供可由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的非暂时性(例如，有形)介质。此介质可以呈许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可包括(例如)光盘或磁盘和其它持久存储器。易失性存储器可包括(例如)可构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。这些指令可由一种或多种传输介质(包括同轴电缆、铜线和光纤(包括具有联接到计算机的处理器的系统总线的导线))传输。一些形式的计算机可读介质包括(例如)软磁盘、软盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其它任何光学介质、穿孔卡、纸带、带有穿孔图案的任何其它物理介质、RAM、PROM、EPROM、闪烁-EEPROM、任何其它存储器芯片或存储器盒或计算机可读的任何其它介质。
查找表、数据库、数据仓库或本文描述的其它数据存储装置可以包括用于存储、存取和检索各种数据的各种机构，包括分层数据库、文件系统中的文件集、专用格式的应用程序数据库、关系型数据库管理系统(RDBMS)等。每个这样的数据存储装置均可以包括在采用诸如上述一种操作系统的计算机操作系统的计算装置内，并且可经由网络以各种方式中的任何一种或多种来存取。文件系统可从计算机操作系统存取，并且可包括以各种格式存储的文件。RDBMS除用于创建、存储、编辑和执行已存储的程序的语言(诸如上述PL/SQL语言)之外还可采用结构化查询语言(SQL)。
详述和附图或图支持并且描述本公开，但是本公开的范围仅仅是由权利要求书限定。虽然已详细地描述了用于执行所述公开的一些最佳模式和其它实施例，但是也存在用于实践所附权利要求书中限定的本公开的各种替代设计和实施例。另外，附图中所示的实施例或本描述中提及的各种实施例的特性不一定被理解为实施例彼此独立。实情是，可行的是，实施例的一个示例中描述的每个特性可结合来自其它实施例的一种或多种其它期望特性，从而导致其它实施例没有用语言或没有参考图式来描述。因此，这样的其它实施例落在所附权利要求书的范围的框架内。
Claims (10)
1.一种电机组件，包括：
电机，其包括被配置为具有定子电流的定子；
控制器，其可操作地连接到所述电机并且被配置为接收转矩命令(T)，所述控制器被配置为存储各自具有相应状态的调制标志(Fm)和六步激活标志(FS)；
其中所述控制器具有处理器和有形非暂时性存储器，所述存储器上记录有用于执行控制所述组件中的六步脉宽调制操作的方法的指令，所述处理器执行所述指令使得所述控制器：
至少部分基于在前一时间步长(K-1)下的弱磁参考以及调制指数(M)来获得修改的调制指数(MR)；
至少部分地基于所述修改的调制指数(MR)来确定所述调制标志(Fm)的所述相应状态；
至少部分地基于所述转矩命令(T)以及所述调制标志(Fm)的所述相应状态来确定所述六步激活标志(FS)的所述相应状态；以及
其中所述控制器被配置为至少部分地基于所述六步激活标志(FS)的所述相应状态来控制所述电机的至少一个操作参数。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述获得所述修改的调制指数(MR)包括：
至少部分基于可用电压来确定调制指数(M)；
如果在所述前一时间步长(K-1)下的所述弱磁参考(FW)等于或高于第一预定义阈值(R1)，则将所述修改的调制指数(MR)设定为高于所述调制指数(M)的最接近整数值；并且
如果在所述前一时间步长(K-1)下的所述弱磁参考(FW)低于所述第一预定义阈值(R1)，则将所述修改的调制指数(MR)设定为低于所述调制指数(M)的最接近整数值。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述确定所述调制标志(Fm)的所述相应状态包括：
如果取整的调制指数(MR)等于或高于第二预定义阈值(R2)，则将所述调制标志(Fm)的所述相应状态设定为真。
4.根据权利要求1所述的组件，其中所述确定所述六步激活标志(FS)的所述相应状态包括：
如果所述转矩命令(T)等于或高于第三预定义阈值(R3)或者所述调制标志(Fm)的相应状态为真，则将所述六步激活标志(FS)的所述相应状态设定为真。
5.根据权利要求1所述的组件，其中：
所述控制器包括或可操作地连接到弱磁调节器，所述弱磁调节器被配置为至少部分地基于所述转矩命令(T)、DC链路电压和电动机速度来产生弱磁因子(ΔIS)。
6.根据权利要求5所述的组件，其中所述产生所述弱磁因子(ΔIS)包括：
基于所述转矩命令(T)和所述DC链路电压产生相应的d轴命令电压和q轴命令电压；
基于所述相应的d轴和q轴命令电压产生电压幅度；
基于所述电压幅度与预定义参考电压的比较来产生所述弱磁因子(ΔIS)。
7.根据权利要求5所述的组件，进一步包括：
电池组，其可操作地连接到所述控制器并且被配置为提供所述DC链路电压；以及
脉宽调制器(PWM)逆变器，其可操作地连接到所述控制器和所述电池组。
8.根据权利要求5所述的组件，其中所述控制所述电机的至少一个操作参数包括基于所述六步激活标志(FS)的所述状态来选择用于所述弱磁调节器的参数，使得：
如果所述六步激活标志(FS)的相应状态为真，则配置所述弱磁调节器以采用等于或高于六步电压限制阈值的第一电压限制；
如果所述六步激活标志(FS)的相应状态为假，则配置所述弱磁调节器以采用低于所述六步电压限制阈值的第二电压限制；并且
其中所述六步电压限制阈值被定义为所述DC链路电压与(2/π)的乘积。
9.根据权利要求5所述的组件，其中所述控制所述电机的至少一个操作参数包括基于所述六步激活标志(FS)的所述状态来选择用于所述弱磁调节器的参数，使得：
如果所述六步激活标志(FS)为真，则配置所述弱磁调节器以允许所述弱磁因子(ΔIS)为正或负；并且
如果所述六步激活标志(FS)为假，则配置所述弱磁调节器以将所述弱磁因子(ΔIS)限制为仅负值。
10.一种控制电机组件的方法，所述电机组件包括电机，所述电机具有被配置为具有定子电流的定子、被配置为接收转矩命令(T)的控制器，所述控制器具有处理器和有形非暂时性存储器，所述方法包括：
至少部分基于在前一时间步长(K-1)下的弱磁参考以及调制指数(M)来获得修改的调制指数(MR)；
将各自具有相应状态的调制标志(Fm)和六步激活标志(FS)存储在控制器中；
至少部分地基于所述修改的调制指数(MR)来确定所述调制标志(Fm)的所述相应状态；
至少部分地基于所述转矩命令(T)以及所述调制标志(Fm)的所述相应状态来确定所述六步激活标志(FS)的所述相应状态；以及
至少部分地基于所述六步激活标志(FS)的所述相应状态来控制所述电机的至少一个操作参数。
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