CN111183582A

CN111183582A - 用于运行永磁同步电机的方法和电机总成

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Publication number: CN111183582A
Application number: CN201880065118.9A
Authority: CN
Inventors: T·考夫曼; B·布迪阿努; E·巴特尔; D·舒尔特; P·斯陶德
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2038-10-02
Also published as: US11081993B2; KR20200044924A; JP6947921B2; US20200287491A1; KR102471560B1; EP3692628A1; JP2020536480A; EP3692628B1; CN111183582B; DE102017217792A1; WO2019068706A1

Abstract

本发明涉及一种用于运行永磁同步电机的方法，其中，在多级过程中确定运行矢量。本发明还涉及一种电机总成，其被设计为用于实施这种方法。

Description

用于运行永磁同步电机的方法和电机总成

技术领域

本发明涉及一种用于运行永磁同步电机的方法以及一种包括永磁同步电机和用于实施这种方法的电子控制设备的电机总成/马达总成。

背景技术

例如，永磁同步电机可以用于操纵机动车的制动系统。为此，例如预先给定转矩请求，其中，电机应产生相应的转矩。然而，永磁同步电机也受到与例如电流或电压相关的各种限制/约束条件，这些限制应在运行中被遵守，以避免电机的功能故障或损坏。在这方面有疑问的情况下，也必须接受不能完全满足转矩请求。

为了运行永磁同步电机，例如使用基于弱磁原理的控制系统，以便在尽可能大的转速范围内向电机要求恒定的转矩。在由现有技术已知的设计方案中，在此典型地使用预先规定的表格，在所述表格中存储有针对特定的电机参数和限制的计算值。然而，这些都静态的，并且因此既不能根据实际上设定的运行参数进行调整，也不能在不进行相应的重新计算的情况下将这些值用于不同的电机。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种用于运行永磁同步电机的方法，所述方法就上述方面而言得到改进。本发明的另一目的是提供一种相关的电机总成。

根据本发明，所述目的通过根据相应独立权利要求的方法和电机总成来实现。有利的设计方案例如可以由相应的从属权利要求中得出。权利要求的内容通过明确的引用而成为说明书的内容。

本发明涉及一种用于运行永磁同步电机的方法，在二维的d/q坐标系中给定该同步电机的运行参数，其中，所述方法包括以下步骤：

-接收转矩请求，

-将转矩请求转换成第一矢量，该第一矢量的q坐标对应于转矩请求，并且该第一矢量的d坐标为零，

-在d/q坐标系中将一定数量的约束显示为区域/面，其中，每个必需区域这样表示约束:即，运行矢量应该位于必需区域之内，并且每个禁止区域这样表示约束：即，运行矢量应该位于禁止区域之外，

-检查第一矢量是否位于所有必需区域之内和所有禁止区域之外，

-如果是，则将第一矢量用作运行矢量，

-如果否，则：

-确定各个必需区域的相应的最高q坐标，并将第一矢量的q坐标降低到必需区域的最高q坐标中的最低者，从而获得第二矢量，

-检查第二矢量是否位于第一必需区域之内，

-如果是，则将第二矢量用作第三矢量，

-如果否，则改变第二矢量的d坐标，使得该第二矢量在d坐标数值最小的情况下位于第一必需区域的边界上，从而获得第三矢量，

-检查第三矢量是否位于第二必需区域之内，

-如果是，则将第三矢量用作第四矢量，

-如果否，则沿着变化边界改变第三矢量的坐标，直至到达第二必需区域的边界与具有最高q坐标的变化边界之间的交点，从而获得第四矢量，

-基于第四矢量确定运行矢量，

-借助于通过运行矢量表示的运行参数操控永磁同步电机。

这种过程使得能够确定理想的运行矢量。在此情况下，q坐标尽可能接近转矩请求，即，如果传递的转矩比所请求的转矩更低，则q坐标尽可能高。此外，d坐标尽可能低，这导致低功率损耗。

在此描述的方法特别能以非常少的计算时间来实施，这能够实现在实际应用的电机控制中的实施。可以省略复杂的计算和用于限制的预先规定的表格。

二维的d/q坐标系特别可以基于克拉克-帕克变换(Clarke-Park-Transformation)。因此可以二维地显示永磁同步电机的运行参数。

矢量的概念在本申请的范围内特别是这样理解：即，涉及其顶端(Spitze)。它例如可以被改变，或者随后可以检查其是位于确定的区域之内还是之外。

关于这里使用的q坐标，要指出的是，所描述的方法流程假设正的转矩需求，从而产生正的q坐标。这样做是为了使描述更容易理解，但是不限制保护范围。在例如可能导致相反的转动方向的负转矩请求的情况下，则必须改变符号。

如果第一矢量的q坐标已经小于或等于必需区域的最高q坐标中的最低q坐标，则可以放弃减小q坐标。

有利地规定，所述方法为了基于第四矢量确定运行矢量而包括以下步骤：

-检查第四矢量是否位于第三必需区域之内，

-如果是，则将第四矢量用作运行矢量，

-如果否，则沿着变化边界改变第四矢量的坐标，直至到达第三必需区域的边界与具有最高q坐标的变化边界之间的交点，从而获得运行矢量。

这能实现对进一步的限制加以考虑。

根据该方法的相应的有利的实施方案规定：

-第一必需区域规定电机的最大电压，和/或

-第二必需区域规定电机的最大电流，和/或

-第三必需区域规定最大电池电流。

这对于典型的运行情况已证明是实用的处理方法。

根据一个实施方案规定，变化边界是第一必需区域的边界。这在转矩请求规定用于驱动或加速电机的转矩的情况下特别适用。

根据一个可能的实施方案，转矩请求规定用于驱动或加速电机的转矩。由此可以使电机转入运动中或使其保持运动。

根据一个可能的实施方案，转矩请求规定用于制动电机的转矩。由此可以制动电机，例如以便使电机停机。

根据一个实施方案，在检查第三矢量是否位于第二必需区域之内的步骤之前执行以下步骤：

-检查第三矢量是否位于第一禁止区域之内，

-如果否，则保持第三矢量不变一用于下一个步骤，

-如果是，则在下一个步骤之前在数值方面增大第三矢量的d坐标直至到达第一禁止区域的边界。

由此可以检查或确保遵守可通过禁止区域呈现的条件。

根据一个实施方案，第一禁止区域规定最小电池电流。这特别在制动转矩的情况下是重要的。特别是在这种情况下，电机可以作为发电机工作或运行。

根据可能的实施方案规定：

-如果第三矢量响应于对第三矢量是否位于第一禁止区域之内的检查而保持不变，则变化边界是第一必需区域的边界，

和/或

-如果第三矢量的d坐标响应于对第三矢量是否位于第一禁止区域之内的检查而在数值方面增大，则变化边界是第一禁止区域的边界。

这种处理方法对于典型的应用情况已被证明是有利的。

根据相应的实施方案规定：

-第一必需区域规定电机的最大电压，和/或

-第二必需区域规定电机的最大电压，和/或

-第三必需区域规定电机的最大电流。

这对于典型的实际情况已经被证明是有利的，以便得到尽可能好的结果。

根据一个实施方案规定，所有矢量的d坐标都是负的。这对应于典型的且有利的运行情况。

优选地，借助于交点的计算而沿着变化边界移动矢量。在此，例如可以使用功能和/或参数化。

优选地，必需区域和/或禁止区域为圆(Kreise)。由此可以呈现典型的限制、特别是给出的类型的限制。

根据一个实施方案规定，规定电机的最大电压的至少一个必需区域取决于电机的转速。这在典型的应用情况中反映真实的行为。

应该提到的是，所述方法特别也可以被这样实施，使得其既能被执行用于加速的转矩请求，也能被执行用于制动的转矩请求。

应理解的是，根据本发明的方法特别可以应用在机动车中或机动车的制动系统中。例如，永磁同步电机可以提供或产生机动车的制动系统的制动力。

本发明还涉及一种电机总成，其包括永磁同步电机和被设计为用于实施根据本发明的方法的电子控制设备。关于所述方法，可以参考本文描述的所有实施方案和变型方案。借助于根据本发明的电机总成可以实现上面所述的优点。

附图说明

本领域技术人员可以从参照附图描述的实施例中获知其它特征和优点。在附图中：

图1示出了电机总成，

图2示出了用于控制电机的示意性过程，

图3示出了在d/q坐标系中的典型约束

图4示出了在正转矩的情况下用于确定运行矢量的过程，和

图5示出了在负转矩的情况下用于确定运行矢量的过程。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的电机总成5。电机总成5具有永磁同步电机10。该同步电机具有轴12，该轴在永磁同步电机10运行时转动。

在轴12上安装有转速传感器14，该转速传感器检测轴12的相应转速。

电机总成5还具有电子控制设备20。该电子控制设备被设计为用于控制电机10，例如这在下面进一步描述。

电机10特别可以根据弱磁原理来控制。由此可以要求该电机在尽可能大的转速范围内具有恒定的转矩。因为电流典型地与转矩成比例，所以例如通过在图2中示出的电流控制器实现力矩要求。

因此，图2仅示意性地示出用于调节电流的过程或仅示意性地示出电流控制器。在此，电流i_d和i_q在d/q坐标系中使用，所述电流通过克拉克-帕克变换(Clarke-Park-Transformation)获得。因此可以二维地显示出永磁同步电机的运行参数。

要指出的是，为了计算最佳电流/最优电流(“Opt.Current”)，如图所示，使用转矩请求T以及电机参数(“Motor parameters”)。此外，使用控制器(“controller”)、逆变器、变压器和编码器。在此，电压参量u_a/u_b/u_c也包含在计算中。

因为控制器在与其它系统的网络中工作，所以该控制器必须遵守电机10或系统网络的电流和电压边界。由于这些边界，并非每个转矩请求或者说力矩要求都可以被成比例地换算成电流参考变量。如果可能，转矩请求应被直接换算。然而，如果由于边界之一将被违反而不能实现上述情况，则应确定下一个较低的可能力矩要求。

电流和电压的边界条件可以表示为：

I_dq≤I_dqmax (1)

U^dq≤U^dqmax (2)

I^batmin≤I_bat≤I_batmax (3)

在此，I_dq表示d/q坐标系中的电流，I_dqmax表示d/q坐标系中的最大电流，U_dq表示d/q坐标系中的电压，U_dqmax表示d/q坐标系中的最大电压，I_batmin表示最小电池电流，I_batmax表示最大电池电流，而I_bat表示电池电流。

因此，通过方程式(1)、(2)和(3)定义了电机的最大电流、电机的最大电压、最小电池电流和最大电池电流作为边界条件。这在应用永磁同步电机时、特别在汽车领域中是典型的边界条件。

d/q坐标系中的电流i_d、i_q可以被换算成d/q坐标系中的相应电压u_d、u_q，反之亦然：

u_d＝Ri_d-pω_mL_qi_q (4)

在此，R表示电机的电阻，p表示极对的数量，其例如可以具有值7，ω_m表示转速，L_q表示q坐标中的电感，L_d表示d坐标中的电感，

表示磁通量。

此外，可以使用能量平衡

在此，U_bat还表示电池电压。

此外，还要提到无磁阻的永磁同步电机的力矩方程式：

在此，T_m表示机械转矩。

由此得到以下圆方程式：

Z＝R²+L²(ω_mp)² (12)

此外，Z表示复电阻的等效量，k_t表示转矩常数，其典型地通过以下关系式与磁通量相关联：

圆方程包围一公共区域，该公共区域取决于电机转速ω_m。为了满足所有条件，电流矢量或运行矢量必须位于该区域之内并且位于最小电流圆之外。

图3示出电流平面中的圆。在此示出电压圆1、电机电流圆2、最大的电池电流圆3和最小的电池电流圆4。这些表示在具有d电流i_d和q电流i_q的d/q坐标系中进行显示。

此外，在图3中示出第一转矩请求T_m1。可以看出，该第一转矩请求在换算成q坐标时位于边界之外，并且因此不能这样实现。此外，也示出第二转矩请求Tm₂，该第二转矩请求能够实现。

第一转矩请求T_m1可以借助于第一矢量i_dq1部分地实现，也就是说，可以产生与所有给定的边界条件相一致的最大可能转矩。第二转矩请求T_m2可以借助于第二矢量i_dq2直接实现。在此，两个矢量i_dq1、i_dq2分别这样选择：使得所述矢量在尽可能满足各自的转矩请求T_m1、T_m2的情况下具有尽可能低的d坐标，以便产生尽可能低的损耗功率。

要解决的问题是，设立一种计算策略，该计算策略以尽可能小的计算量来确定最佳的电流矢量。最佳的电流矢量在此典型地是这样一种电流矢量：其不违反所列举的边界中的任何一个，包含产生尽可能接近所要求的力矩的力矩的产生力矩的q电流，还包含特别在数值方面来看尽可能小的d电流。

要指出的是，第二转矩请求Tm₂也可以通过其它矢量实施。然而，这些矢量具有在数值方面更高的d电流并且因此不是最佳的。

下面描述在根据本发明的方法的范围内的一种可能的过程。在此，遵循逐步的方法，其导致运行矢量。参考图4示出这种方法。

首先，将转矩请求T_m换算成q电流i_q。这借助于以下方程式实现：

由此计算出第一矢量Z1，其通过将q坐标设置为计算值i_q并且将d坐标设置为值0而得出。该矢量Z1在图4中标出。应该指出的是，在图4和图5中，所标出的矢量仅仅被这样标出：即，它们各自的端点通过具有相应标记的连接线显示。为了简化显示，未这样示出完整的矢量。

如所示的，第一矢量Z1最初超出了所显示的边界。当确定了这一点之后，第一矢量Z1的q坐标减小，使得其q坐标对应于必需区域1、2、3的所有最高点中的最低的q坐标。由此获得第二矢量Z2。

随后检查第二矢量Z2是否位于第一必需区域1之内、即电压圆之内。事实并非如此。因此，第二矢量Z2的d坐标在数值方面增大，直至第二矢量Z2在q坐标保持不变的情况下位于第一必需区域1的边界上。由此获得第三矢量Z3。

然后第三矢量Z3被用于检查其是否位于第二必需区域2之内、即电机电流圆之内。事实并非如此。然后，第三矢量Z3沿着第一必需区域1的边界一直改变，直至其与第二必需区域2的边界相交。由此获得第四矢量Z4。随后检查第四矢量Z4是否位于第三必需区域3之内。事实并非如此。因此，第四矢量Z4沿着第一必需区域1的边界进一步改变，直至其与第三必需区域3的边界相交。由此，得到运行矢量ZB。该运行矢量位于所有必需区域1、2、3之内，并且此外位于唯一的禁止的区域4之外。

因此，借助于运行矢量ZB可以实现电机的运行，其中，达到最大可能的转矩并且同时使用最小可能的d坐标。

上述必需区域1、2、3的高点可以相对于它们各自的在此重要的q坐标通过以下方程式来计算：

i_hpc＝I_dqmax (14)

在此，i_hpc表示电流圆的高点的q坐标，i_hpv表示电压圆的高点的q坐标，i_hpb表示电池电流圆的高点的q坐标。

因为电压圆取决于角速度ω_m，所以其半径在较高转速时下降。这例如通过上述方程式(9)表示。

应指出的是，所提到的交点也可以分别原则上具有其它解决方案。然而在此，原则上使用具有最高q坐标和最小d坐标的那些。其它对于此处重要的计算来说不是主要目标。

在电机以加速转矩请求运行时，可以忽略作为唯一存在的禁止区域4的最小电池电流圆，因为它们的限制/约束条件基本上被满足。然而，如果在电机作为发电机运转时产生用于制动的转矩，则这不适用。相应的状态在图5中示出。

在图5中也示出必需区域1、2、3以及禁止的区域4。然而，第一必需区域1、即电压圆位于另一位置上并且更小。此外，电机作为发电机运行，其中，在此示出为正的转矩T_m应该用于对负转动的电机进行制动。

在图5中示出的转矩请求T_m可以被直接换算成第一矢量Z1，该第一矢量已经位于必需区域1、2、3的所有高点之下。因此，该矢量可以直接用作第二矢量Z2。

随后检查第二矢量Z2是否位于第一必需区域1之内，即电压圆之内。不是这种情况。相应地，第二矢量Z2的d坐标增加直至第二矢量Z2位于第一必需区域1的边界上。由此得到第一版本中的第三矢量Z3,1。

接着检查在第一版本中的第三矢量Z3,1是否位于第一禁止区域4之外、即最小的电池电流圆之外。不是这种情况。相应地，第三矢量Z3,1在其第一版本中的q坐标继续增加，直至其位于第一禁止区域4之外。由此获得第二版本中的第三矢量Z3,2。该第三矢量然后如上面所描述的第三矢量Z3那样被继续使用。

随后检查第三矢量Z3,2是否如刚才获得的那样位于第一必需区域1之内。不是这种情况。随后，第三矢量Z3,2在其第二版本中一直沿着第一禁止区域4的边界改变，直至其到达第一必需区域1的边界上。由此获得第四矢量Z4。

然后检查第四矢量Z4是否位于第二必需区域Z2之内。不是这种情况。相应地，第四矢量Z4一直沿着第一禁止区域4的边界进一步改变，直至其到达第二必需区域2的边界上。由此获得运行矢量ZB。该运行矢量位于所有必需区域1、2、3之内并且位于第一禁止区域4之外。由此利用该运行矢量可以实现电机的运行。

因为电机和系统状态的参数改变圆的位置和大小，所以在一些情况下可能需要的是，再一次或多次执行所描述的过程，特别包括相应地重新计算圆。由此可以获得最佳的和更新的运行参数。

所描述的方法流程例如可以如下述地表示：

-计算在给定的转矩请求时的i_q电流，

-找到电压圆上的点，

-找到电机电流圆上的点，

-找到电池电流圆上的点，

-如果需要，则重复前三个步骤。

为了实现将最佳矢量作为运行矢量，重要的是下述的顺序：即，根据该顺序首先使用电压圆并且然后继续圆的边界。

应理解的是，相应区域的边界分别不仅可以归于该区域，也可以归于其周围的区域。

这里所述的、用于计算或确定运行矢量的步骤特别可以电子地、例如由可编程的或硬线连接的单元来实施。运行矢量可以自动计算。

根据本发明的方法的所述步骤可以以所给出的顺序执行。然而，它们也可以以不同的顺序执行。根据本发明的方法可以在其实施方案之一中，例如通过特定的步骤组合，以不执行其它步骤的方式来执行。然而原则上也可以执行其它步骤，也可以执行那些没有提到的步骤。

属于本申请的权利要求不代表放弃获得进一步的保护。

如果在该方法的过程中证明，一个特征或一组特征不是强制必需的，则在申请人方面现在致力于表述至少一个不再具有该特征或该组特征的独立权利要求。在此，例如可以涉及在申请日时存在的权利要求的子组合或者涉及在申请日时存在的权利要求的通过其它特征限制的子组合。这样的新陈述的权利要求或特征组合被认为被本申请的公开内容所覆盖。

还要指出的是，在不同的实施方案或实施例中描述的和/或在附图中示出的本发明的设计方案、特征和变型方案可以以任何方式彼此组合。单个或多个特征可以任意相互交换。由此产生的特征组合可以理解为被本申请的公开内容一起覆盖。

在从属权利要求中的引用不应理解为放弃对于引用的从属权利要求的特征实现独立的、具体的保护。这些特征也可以任意地与其它特征组合。

仅在说明书中公开的特征或者仅在说明书中或在权利要求中结合其它特征公开的特征原则上可以具有独立的对本发明重要的意义。因此，它们也可以单独地被收入权利要求中以区别现有技术。

Claims

1.一种用于运行永磁同步电机(10)的方法，在二维的d/q坐标系中给定该永磁同步电机的运行参数，其中，所述方法包括以下步骤：

-接收转矩请求(Tm)，

-将转矩请求(Tm)转换成第一矢量(Z1)，该第一矢量的q坐标对应于转矩请求(Tm)，并且该第一矢量的d坐标为零，

-在d/q坐标系中将一定数量的约束显示为区域(1，2，3，4)，其中，每个必需区域(1，2，3)这样表示约束，即：运行矢量(ZB)位于必需区域(1，2，3)之内，并且每个禁止区域(4)这样表示约束，即：运行矢量(ZB)位于禁止区域(4)之外，

-检查第一矢量(Z1)是否位于所有必需区域(1，2，3)之内和所有禁止区域(4)之外，

-如果是，则将第一矢量(Z1)用作运行矢量(ZB)，

-如果否，则：

-确定各个必需区域(1、2、3)的相应的最高q坐标，并将第一矢量(Z1)的q坐标降低到必需区域(1、2、3)的最高q坐标中的最低者，从而获得第二矢量(Z2)，

-检查第二矢量(Z2)是否位于第一必需区域(1)之内，

-如果是，则将第二矢量(Z2)用作第三矢量(Z3)，

-如果否，则改变第二矢量(Z2)的d坐标，使得该第二矢量在d坐标数值最小的情况下位于第一必需区域(1)的边界上，从而获得第三矢量(Z3)，

-检查第三矢量(Z3)是否位于第二必需区域(2)之内，

-如果是，则将第三矢量(Z3)用作第四矢量(Z4)，

-如果否，则沿着变化边界改变第三矢量(Z3)的坐标，直至到达第二必需区域(2)的边界与具有最高q坐标的变化边界之间的交点，从而获得第四矢量(Z4)，

-基于第四矢量(Z4)确定运行矢量(ZB)，

-借助于由运行矢量(ZB)表示的运行参数操控永磁同步电机(10)。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法为了基于第四矢量(Z4)确定运行矢量(ZB)而包括以下步骤：

-检查第四矢量(Z4)是否位于第三必需区域(3)之内，

-如果是，则将第四矢量(Z4)用作运行矢量(ZB)，

-如果否，则沿着变化边界改变第四矢量(Z4)的坐标，直至到达第三必需区域(3)的边界与具有最高q坐标的变化边界之间的交点，从而获得运行矢量(ZB)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

-其中，第一必需区域(1)规定电机(10)的最大电压，和/或

-其中，第二必需区域(2)规定电机(10)的最大电流，和/或

-其中，第三必需区域(3)规定最大电池电流。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

-其中，变化边界是第一必需区域(1)的边界。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

-其中，转矩请求(Tm)规定用于驱动或加速电机(10)的转矩。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，

-其中，转矩请求(Tm)规定用于制动电机(10)的转矩。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在检查第三矢量(Z3)是否位于第二必需区域(2)之内的步骤之前，执行以下步骤：

-检查第三矢量(Z3,1)是否位于第一禁止区域(4)之内，

-如果否，则保持第三矢量(Z3)不变以用于下一个步骤，

-如果是，则在下一个步骤之前在数值方面增大第三矢量(Z3,1)的d坐标直至达到第一禁止区域(4)的边界。

8.根据权利要求7所述的方法，

-其中，第一禁止区域(4)规定最小电池电流。

9.根据权利要求7或8所述的方法，

-其中，如果第三矢量(Z3)响应于对第三矢量是否位于第一禁止区域(4)之内的检查而保持不变，则变化边界是第一必需区域(1)的边界，

和/或

-其中，如果第三矢量(Z3)的d坐标响应于对第三矢量是否位于第一禁止区域(4)之内的检查而在数值方面增大，则变化边界是第一禁止区域(4)的边界。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，

-其中，第一必需区域(1)规定电机的最大电压，和/或

-其中，第二必需区域(1)规定电机的最大电压，和/或

-其中，第三必需区域(2)规定电机的最大电流。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

-其中，所有矢量(Z)的d坐标都是负的。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

-其中，借助于交点的计算而使矢量(Z)沿着变化边界移动。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

-其中，必需区域(1、2、3)和/或禁止区域(4)为圆。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

-其中，规定电机的最大电压的至少一个必需区域(1)取决于电机(10)的转速。

15.一种电机总成(5)，包括：

-永磁同步电机(10)，和

-被设计为用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的电子控制设备(20)。