CN111130412A - 用于控制感应电动机的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过生成d轴和q轴电流指令基准，并使用调制指数和实际/反馈调制指数生成电流补偿值来调节感应电动机运行的方法。推导出恒转矩方向和降电压椭圆单位矢量之间的角度(θ)，还推导出电流补偿值的单独的d轴和q轴分量。使用角度(θ)确定补偿方向。当该cosθ超过校准值时，该方向是所述恒转矩单位矢量的方向，否则，该方向是降电压椭圆单位矢量的方向。d轴和q轴分量在确定的方向上被添加到d轴和q轴电流指令基准中以推导出用于控制电动机转矩的最终的d轴和q轴电流指令。一种电气系统和一种机动车辆包括该控制器。
Description
引言
感应电动机包括定子和轴承安装的转子，该定子和该轴承安装的转子通过小气隙彼此分离。通过改变旋转磁场的强度来控制来自感应电动机的输出转矩，反过来，旋转磁场的强度又调节定子绕组中流动的电流量。在电动机速度增加期间，例如，通过限制定子绕组的电源电压或电流的增加，来维持电动机的功耗可能是可取的。然而，功率是电动机转速和转矩的乘积，因此在电动机速度增加期间需要相应的降低电动机转矩来使功率保持在稳态水平。磁通减弱是为了在指定的磁通减弱运行区域降低转矩而采用的一种控制策略。这样，电动机速度越快，整体运行速率越高。
发明内容
本发明公开了用于控制具有定子和转子的感应电动机的策略。所公开的控制策略使用磁通减弱调节器形式的可编程控制策略来产生用于提高磁通减弱运行区域中的转矩精度的电流基准，其中，在感应电动机的指定最大每电压转矩(MTPV)区域中电压利用率被提高。
具体地，该策略使用成对单位矢量，即，恒转矩方向矢量和降电压椭圆单位矢量，之间的角度来精确地确定何时进入上述的最大每电压转矩区域。在最大每电压转矩区域下方的磁通减弱区域，恒转矩单位矢量用于调整定子的纵轴(d轴)电流指令和正交轴(q轴)电流指令。通过使用附加控制逻辑单独推导出d轴和q轴电流指令的补偿幅度。
通过在恒转矩方向矢量和降电压椭圆单位矢量之间定义的角度(θ)，当cosθ大于或等于校准阈值时，使用恒转矩单位矢量来确定电流指令补偿方向。当cosθ小于校准阈值时，使用降电压椭圆单位矢量来代替恒转矩单位矢量。可以在线计算cosθ来适当的考虑最终驱动感应电动机的电动机温度和直流母线电压的变化。
用于调节感应电动机运行的一示例性方法包括使用控制器生成定子的d轴和q轴电流指令基准，并且使用感应电动机的指令调制指数和实际/反馈调制指数生成电流补偿值。该方法还包括推导出感应电动机的恒转矩方向单位矢量和降电压椭圆单位矢量之间的角度(θ)，并且推导出电流补偿值的单独的d轴和q轴分量。
作为方法的一部分，控制器还使用角度(θ)确定电流指令补偿方向。当cosθ大于或等于校准阈值时，电流指令的补偿方向是恒转矩单位矢量的方向，而当cosθ小于校准阈值时，电流指令的补偿方向是降电压椭圆单位矢量的方向。该方法包括将在确定的方向上将d轴和q轴分量添加到d轴和q轴电流指令基准中以推导出最终的d轴和q轴电流指令。然后，使用最终的d轴和q轴电流指令控制感应电动机的转矩运行。
电气系统包括上述感应电动机和控制器。
在此还公开了一种机动车辆，其包括具有输入构件和输出构件的变速器，连接到输出构件的成组车轮、感应电动机，以及控制器。在一示例性实施例中，转子连接到变速器的输入构件。
当结合附图阅读实现本发明的最佳方式的以下详细描述时，上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明控制策略的具有联接到负载上并在磁通减弱区域进行控制的多相感应电动机的示例性电气系统的示意图。
图2是如图1所示的控制器的示意性逻辑流程图。
图3是恒转矩项、电压椭圆，以及最大每电流转矩(MTPA)线的曲线图，其中，q轴电流指令描绘在纵轴上，d轴电流指令描绘在横轴上，并且图3示出了作为本控制策略一部分的恒转矩方向矢量和降电压椭圆单位矢量。
图4是用于实现图2所示控制策略的示例性方法的流程图。
本发明可具有各种修改和替代形式，且一些代表性实施例通过附图中的示例展示且将在本文中详细描述。本发明的新颖方面不限于以上列举的附图中说明的特定形式。相反，本发明将覆盖落入由所附权利要求书涵盖的本发明的范围内的修改、等同物和/或组合。
具体实施方式
本发明允许许多不同形式的实施例。在附图中示出了本发明的代表性实施例，并且将在此详细描述，应理解这些示例是作为所发明原理的表示而提供的，而不是对本发明的广泛方面的限制。在此程度上，例如在摘要、引言、发明内容和详细描述部分中描述但未在权利要求中明确阐述的元素和限制不应单独地或共同地通过暗示、推断或其它方式并入权利要求中。
为了本详细说明的目的，除非特别声明：单数包括复数，反之亦然；词语“和”和“或”应同时为连接处和反意连接词；词语“任何”和“全部”应同时指“任何和所有”；词语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”等应各自表示“包括但不限于”。此外，近义词，如，“大约”、“几乎”、“大体上”、“近似地”等可在本文中用于，例如，“在、接近、或大约在”，或“在0-5％的范围内”，或“在可接受的制造公差范围内”，或“其任何逻辑组合”，的意义中。
参照附图，其中在全部几幅图中，相同的附图标记对应相同或相似的部件，图1所示的示例性车辆10具有电气系统12。电气系统12包括感应电动机(ME)14，其运行通过控制器(C)50来实时调节。控制器50接收控制输入信号(箭头CCI)，并且，作为应答，生成控制输出信号(箭头CCO)，通过输出信号(箭头CCO)最终增大、减小或维持感应电动机14的输出转矩(箭头TM)。
作为控制工作的一部分，控制器50自动执行体现为示例性方法100的控制策略。在执行方法100时，控制器50通过使用磁通减弱调节器55以提高感应电动机14的指定磁通减弱运行区域中的转矩精度的方式来生成纵轴(d轴)和正交轴(q轴)电流基准。通常，控制器50将恒转矩单位矢量与降压椭圆单位矢量之间的角度作为输入信号(箭头CCI)的一部分，以确定进入感应电动机14的指定最大每电压转矩区域的起始点。磁通减弱调节器55的功能是通过增加最大每电压转矩区域中的电压利用率来最大限度地产生转矩，磁通减弱调节器55可以实现为如图2所示并参照图3作进一步描述的一组程序控制逻辑40的一部分。
出于示意的目的，图1所示的示例性电气系统12在本文中作为车辆10的一部分进行单独描述，因此不会将电气系统12特别地限制在一般的车辆使用或车辆应用中。换言之，感应电机，如，感应电动机14，广泛地使用在制造环境、发电厂，及消费品中，以及非汽车应用，如轨道车辆、飞机，以及海洋船舶中。感应电动机14可体现为具有定子(S)19和转子16的多相/交流(AC)感应电机，其速度可通过旋转位置传感器17测量并作为测得的转子速度(θrm)与控制器50进行通信。
在车辆10中的所示应用中，转子16可以通过输入离合器11，如，摩擦离合器或液力变矩器，可选择地联接到变速器(T)20的输入构件18中。变速器20可包括一个或多个内部离合器以及齿轮组(未示出)其最终将电动机输出转矩(TM)从输入构件18传递到输出构件22以产生变速器输出转矩(TO)。虽然在图1中未示出，车辆10可包括内燃机和/或附加的电机，其根据运行模式可与电动机输出转矩(TM)结合以提供所需水平的输出转矩(TO)。然后，输出转矩(箭头TO)被传递到一个或多个驱动轴24，驱动轴24又联接到负载，在该实例中为车轮26。
作为图1所示的电气系统12的一部分，感应电动机14的相绕组可通过存在于交流电压总线28上的多相电压(VAC)来通电。如本领域的普通技术人员所理解的，使用功率转换模块(PIM)30通过内部半导体开关和信号滤波可产生多相电压。功率转换模块30的直流(VDC)电源电压，也成为直流母线电压，可由直流电压总线33上的高压电池组(BHV)32提供，直流电压总线33可能连接到DC-DC电压转换器34。DC-DC电压转换器34的输出可在辅助电压总线35上以降压/辅助电压(VAUX)，例如，适合存储在辅助电池(BAUX)36中的12-15伏，提供。
参照图2，根据一示例性实施例描述了一组示例性的控制逻辑40，该示例性的控制逻辑40可用于实现如图4所示的方法100并解释如下。如图1中箭头CCI所示的输入信号可馈送到电流指令发生器(CCG)逻辑块42中，该输入信号(CCI)包括指令转矩(TCmd)，电动机速度(ωm)，即，由图1所示的位置传感器17所测量的和/或通过这种测量所计算出/估计出的转子16的转动速度，以及对功率转换模块30的直流电压指令(Vdc)，如上所述的直流母线电压。电流指令发生器逻辑块42将如下标“s”所示的d轴电流指令(idsCmd)和q轴电流指令(idsCmd)作为两个控制信号输出。d轴和q轴电流指令(idsCmd和idsCmd)分别馈送到各自的第一和第二求和节点43和45。
还应理解的是，d-q轴变换是一种常用的数学变换技术，用于简化多相电路的分析，如本发明所设想的类型的三相交流电路。d轴是产生磁通量的轴，而q轴是最终生成转矩的轴。按照惯例，q轴比d轴超前90度。因此，调节从控制器到定子的d轴和q轴电流指令，以及在转子中产生的d轴和q轴电流以在感应电动机的转矩运行中产生预期效果。同样如本技术领域所理解的，电机的动态模型，如图1所示的示例性感应电动机14，包括三个参考坐标系：静止参考坐标系，其中d轴和q轴不旋转，转子参考坐标系，其中d轴和q轴以转子速度旋转，以及同步参考坐标系，其中d轴和q轴以感应电动机的同步速度旋转。
磁通减弱控制回路55被编程为计算电流指令发生器逻辑块42的输出(idsCmd和iqsCmd)的补偿项。在这个实施例中的磁通减弱控制回路55的输入信号(CCI)包括调制指数指令(MICmd)和调制指数反馈项(MIFB)，前者是指令的调制指数，后者是实际调制指数。正如本文和本技术领域中所使用的，“调制指数”，特别是关于基于PWM的逆变器，例如图1所示的功率转换模块30，指的是特定变量的信号调制水平，例如，根据调制方案的输入波形的振幅或频率，调制指数通常在0到1之间。磁通减弱调节器(REGFLX-WK)逻辑块44接收调制指数指令(MICmd)和调制指数反馈项(MIFB)，并作为响应，计算电流补偿所需的幅度(ΔIsCmd)。
仍然参照图2，电流补偿项所需的幅度(ΔISCmd)，与如上所述的角度θ的余弦值cos(θ)一起馈送到补偿方向确定(CDD)逻辑块46中，其中，角度(θ)是在恒转矩单位矢量和降电压椭圆单位矢量之间定义的特定角度，下面将参照图3和4进一步详细说明。补偿方向确定逻辑块46处理电流补偿项(ΔIsCmd)和cos(θ)值以推导出电流补偿项(ΔIsCmd)所需的d轴和q轴组成分量(Δids和Δiqs)。然后，在各自的求和节点43和45处将这两个值与通过电流指令发生器逻辑块42输出的d轴和q轴电流指令(idsCmd和iqsCmd)相加。总和是图1所示的控制器50用于控制感应电动机14的整体转矩运行所使用的最终d轴和i轴电流指令(idsCmdF和iqdCmdF)。
图3描绘了图1的感应电动机14的一组性能曲线70，d轴和q轴电流id和iq的安培数(A)分别示出在纵轴和横轴上。轨迹72表示感应电动机14的输出转矩曲线，因此标记为与图1所示的电动机转矩相对应的(TM)。控制目标是保持在其中一个轨迹72上以最大化电动机输出转矩(TM)，轨迹72示出了各个q轴和d轴电流指令对应的最大电动机转矩。轨迹76表示感应电动机14的电压极限(VLIM)，因此用作另一组性能曲线。
轨迹72和76的轨道线对于感应电动机14是特定的，因此可以提前校准并且可用于控制器50，例如，从查找表中提取。轨迹72和76的交点对应于给定转矩水平的最低可能电流水平。轨迹76为给定电动机速度定义电压椭圆，这种椭圆会随着速度的增加而缩小。因此，对于给定轨迹72，操作将发生在相交轨迹76的左侧，即，椭圆的内侧。
性能曲线70还包括分别代表恒转矩方向和降电压方向的单位矢量74和75。单位矢量75的恒转矩方向可确定如下：
如图1所示的感应电动机14控制中的降电压的方向定义为(V1，V2)：
ωe是来自如图1所示的功率转换模块30的电源电压的电频率，Ls是定子的电感，σLs是定子的瞬态电感，并且(V1，V2)是如上所述的并由图3中箭头74所示的降电压椭圆单位矢量。取单位矢量(T1，T2)和(V1，V2)的内积，cosθ推导如下：
(T1·V1+T2·V2)＝cosθ
参照图4，根据一示例性实施例的方法100从步骤S102开始，控制器50通过使用如图2所示的磁通减弱调节器逻辑块44计算电流指令补偿(ΔISCmd)。控制器50可将块44实现为比例积分控制回路，从而计算作为指令的调制指数(MICmd)和实际或反馈值(MIFB)之间的误差或差值(ΔISCmd)。然后，方法100进入步骤S104。
在步骤S104中，控制器50在进入步骤S106之前计算如上所述的(cosθ)的值。
步骤S106需要将来自步骤S104的(cosθ)的值和校准阈值作比较。当计算的(cosθ)的值等于或超过校准阈值时，方法100进入步骤S108，而当(cosθ)的值小于校准阈值时，进入步骤S110。
根据上述阈值比较的结果，执行步骤S108和S110，即：
如果cosθ>＝阈值：
Δids＝(ΔISCmd)(T1)
Δiqs＝(ΔISCmd)(T2)
否则
Δids＝(ΔISCmd)(V1)
Δiqs＝(ΔISCmd)(V2)。
因此，步骤S108需要对感应电动机14执行第一控制动作(CA#1)。第一控制动作可包括使用恒转矩方向单位矢量(T1，T2)计算(Δids)和(Δiqs)的方向，控制器50将这些项的方向作为图2所示的节点43和45的补偿值应用到指令值。随后，控制器50通过使用如图3所示的最终值(idsCmdF和iqsCmdF)控制感应电动机14的转矩运行。
同样地，步骤S110需要通过使用降电压椭圆方向单位矢量(V1，V2)对感应电动机14执行第二控制动作(CA#2)以计算应用于图2所示的节点43和45的补偿值方向，即，Δids和Δiqs。随后，控制器50通过使用最终值，即，idsCmdF和iqsCmdF控制感应电动机14的转矩运行。
当通过使用图2所示的示例性控制逻辑40实施时如图4所示的方法100时，旨在允许控制器50实时地确定何时进入感应电动机14的磁通减弱区域。应理解的是，如图3所示的轨迹72和76所代表的性能曲线在运行期间发生变化，因此对磁通减弱的实时适应是有必要的。除了最小化转矩误差，方法100还试图保持感应电动机14的电压控制回路的稳定性。因此，所提出的通过图2所示的电流指令发生器逻辑块42的运行增强的磁通减弱调节器控制回路55能够通过使用矢量(T1，T2)和(V1，V2)精确地确定何时进入感应电动机14的每电压最大转矩区域，在每电压最大转矩的下方使用矢量(T1，T2)并在MTPV的上方使用矢量(V1，V2)来调整d轴和q轴的电流指令。
已经参照所示实施例对本发明的方面进行了详细描述；然而，本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明范围的情况下，可以对其进行许多修改。本发明不限于本文所公开的精确结构和组成；上述描述中明显的修改，变化以及变更属于所述权利要求所定义的本发明的范围。此外，本概念明确包括以上要素和特征的任何和所有组合和子组合。
Claims (10)
1.一种电气系统，包括：
具有定子和转子的感应电动机；以及
与所述感应电动机通信的控制器，其配置为：
为所述定子生成d轴和q轴电流指令基准信号；
通过使用所述感应电动机的指令调制指数和实际/反馈调制指数生成电流补偿值；
推导出所述感应电动机的恒转矩方向单位矢量和降电压椭圆单位矢量之间的角度(θ)；
通过使用所述角度(θ)推导出所述电流补偿值的单独的d轴和q轴分量；
当cosθ大于或等于校准阈值时，确定所述电流指令补偿方向为所述恒转矩单位矢量的方向，当cosθ小于所述校准阈值时，确定所述电流指令补偿方向为所述降电压椭圆单位矢量(V1，V2)方向；
在所述确定的方向上将所述单独的d轴和q轴分量添加到所述d轴和q轴电流指令基准中以推导出最终的d轴和q轴电流指令；及
通过使用所述最终的d轴和q轴电流指令控制所述转子的输出转矩。
2.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器配置为在线实时计算cosθ。
3.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器配置为根据所述感应电动机的同步参考坐标系中的所述感应电动机的预设电磁转矩和所述感应电动机的所述同步参考坐标系中的所述定子的d轴和q轴电流指令计算所述恒转矩方向单位矢量的方向。
4.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器配置为根据所述感应电动机的电源电压的频率、所述定子的瞬态电感、所述定子的电感，以及在所述感应电动机的所述同步参考坐标系中的所述定子的d轴和q轴电压指令来计算所述降电压椭圆单位矢量(V1，V2)的所述方向。
5.根据权利要求1所述的电气系统，进一步包括配置为测量所述转子的转速的传感器，其中，所述控制器配置为接收指示所述感应电动机的指令转矩、直流母线电压，以及所述转子的所述转速的输入信号集，并且使用所述输入信号集生成所述d轴和q轴电流指令基准信号。
6.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述转子联接到车辆的驱动负载，并且其中，所述控制器配置为命令通过所述转子将输出转矩从所述转子传递到所述驱动负载。
7.根据权利要求6所述的电气系统，其中，所述驱动负载包括成组车轮。
8.一种机动车辆，包括：
具有输入构件和输出构件的变速器；
连接到所述变速器的所述输出构件的成组车轮；
具有定子和转子的感应电动机，其中，所述转子连接到所述变速器的所述输入构件；及
与传感器和所述感应电动机进行通信的控制器，其中，所述控制器配置为：
为所述定子生成d轴和q轴电流指令基准信号；
通过使用所述感应电动机的指令调制指数和实际/反馈调制指数生成电流补偿值；
推导出所述感应电动机的恒转矩方向单位矢量和降电压椭圆单位矢量之间的角度(θ)；
通过使用所述角度(θ)推导出所述电流补偿值的单独的d轴和q轴分量；
在线实时计算cosθ；
当cosθ大于或等于校准阈值时，确定所述电流指令补偿方向为恒转矩单位矢量的方向，当cosθ小于所述校准阈值时，确定所述电流指令补偿方向为降电压椭圆单位矢量的方向；
在所述确定的方向上将所述单独的d轴和q轴分量添加到所述d轴和q轴电流指令基准中以推导出最终的d轴和q轴电流指令；及
通过使用所述最终的d轴和q轴电流指令控制传递给所述变速器的所述输入构件的所述转子的输出转矩水平。
9.根据权利要求8所述的机动车辆，其中，所述控制器配置为根据所述感应电动机的同步参考坐标系中的所述感应电动机的预设电磁转矩和所述感应电动机的所述同步参考坐标系中的所述定子的d轴和q轴电流指令计算所述恒转矩方向单位矢量的方向。
10.根据权利要求9所述的机动车辆，其中，所述控制器配置为根据所述感应电动机的电源电压的频率、所述定子的瞬态电感、所述定子的电感，以及在所述感应电动机的所述同步参考坐标系中的所述定子的d轴和q轴电压指令计算降电压椭圆单位矢量的方向。
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