CN111953266A - 电动马达设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动马达设备，该电动马达设备包括：控制器，其被布置成产生被馈送到该马达的驱动级的一组信号作为输出，其中，该驱动级被布置成将电压施加到该马达的每个相，以使得电流在该马达的每个相中与被馈送到该控制器的电流需求信号相对应地流动；转矩需求信号修改器，其接收表示该马达需求的目标转矩的目标转矩需求信号作为输入，并且输出被转换为被馈送到该控制器的电流需求信号的实际转矩需求信号，该实际转矩需求的值随时间遵循预限定斜坡而朝目标转矩需求值增大。其中，该转矩需求信号修改器被布置成根据该电池电压修改该预限定斜坡，使得所生成的最大电流梯度与预限定电流梯度极限值相匹配。

Description

电动马达设备

技术领域

本发明涉及一种电动马达设备。

背景技术

电动马达被广泛用于机动车辆应用中并在机动车辆应用中越来越常见。例如，已知提供一种电动助力转向系统，其中，电动马达设备向转向系统的一部分施加辅助转矩，以使驾驶员更容易转动车辆的方向盘。辅助转矩的大小根据控制算法来确定，该控制算法接收一个或多个参数(比如通过驾驶员转动方向盘向转向柱施加的转矩、车辆速度等)作为输入。

为了准确控制电动马达转矩，必不可少的是控制向电动马达施加的电流。通常，使用根据脉冲宽度调制控制/驱动策略操作的星形连接的三相马达，各相分别连接到连接于电池电源和接地的上驱动级开关和下驱动级开关。在PWM策略中，利用具有第一状态和第二状态和占空比率的周期PWM驱动信号来驱动每个相，该占空比指示周期中在每个状态所花费的时间的比率。所要求的马达转矩被确定为转矩需求信号，然后将转矩需求信号馈送到电流控制器中，该电流控制器将生成适当的d-q轴马达电流需求信号，这些信号将使得马达生成该转矩。可以表示为实现所要求的电流所需的电流或电压的这些d-q信号然后根据驱动电路的要求被转换为静态参考系中的三相波形，这需要了解马达转子的电位置角度。可以提供测量转子位置的位置传感器，或者该系统可以是无传感器类型的，比如WO 2004/023639中教导的。最后，使用实际电流的测量值作为反馈，计算产生所要求的实际平均电流所需的针对每一个相的脉冲宽度调制(PWM)占空比，并将其用于驱动这些马达相。

马达从车辆的电源汲取电流，该电源通常是电池，该电池由交流发电机充满，该交流发电机通过车辆的动力传动系从发动机获取功率或在制动期间获取再生功率而被驱动。马达汲取的电流是电池电压和向每个相施加的驱动信号的占空比率的函数。

在需要大的辅助的时候，开关的占空比率会很高，进而马达从电池汲取的总电流会很高。对于健康的车辆电气系统，交流发电机通常可以满足高电流需求，因此电池不会耗尽。马达的最大电流汲取应设定为交流发电机所可以满足的水平，以防止电池耗尽。

当需要增大转矩时，马达中的电流必须增大以满足新需求。这不可能立即发生。在许多当前和已提出的车辆设计的情况下，对于转矩可以安全增大而不耗尽或损坏电池或超过dc/dc转换器的能力的速率存在限制。在许多情况下，重要的是电流的峰值增大速率(即峰值电流梯度)不超过电池或为电池馈电的交流发电机不能满足的极限。为此，馈送给控制器的转矩需求将以由预限定斜坡确定的方式增大或减小。该斜坡限定了针对沿斜坡的每个时间点的转矩需求增大速率。该斜坡在零速或低速时将通常呈指数形状但是在高速时通常可以是不同的形状。

通常斜坡形状被选择成使得在大部分极端情况下(其中，目标转矩需求从零转矩需求变为最大转矩需求)，将在斜坡的末端处出现的峰值梯度将不会超过梯度极限。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种用于控制由诸如电池或dc/dc转换器的源供电的电动马达的电动马达设备，其中，所述电动马达设备包括：

控制器，所述控制器被布置成产生被馈送到所述马达的驱动级的一组信号作为输出，其中，所述驱动级被布置成将电压施加到所述马达的每个相，以使得电流在所述马达的每个相中与被馈送到所述控制器的电流需求信号相对应地流动，

转矩需求信号修改器，所述转矩需求信号修改器接收表示所述马达需求的目标转矩的目标转矩需求信号作为输入，并且输出被转换为被馈送到所述控制器的电流需求信号的实际转矩需求信号，所述实际转矩需求的值随时间遵循预限定斜坡而朝目标转矩需求值增大，所述预限定斜坡被选择以确保当所述电池供应的电压处于对应于所述电池充满电的标称值时，所述电流需求的最大电流梯度不超过预定极限，并且

其中，所述转矩需求信号修改器被布置成根据所述电池电压修改所述预限定斜坡，使得所生成的最大电流梯度与预限定电流梯度极限值相匹配

通过修改用于将马达转矩从其瞬时值增大到目标需求值的斜坡的形状以与电流极限相匹配，申请人已经认识到，可以减少达到目标转矩需求值所花费的时间而不超过电流梯度极限。通过与极限相匹配，达到目标转矩需求的时间将被减少到最佳时间。在这种实现之前，斜坡率将是固定的，从而导致马达达到目标转矩的次佳时间。

所述转矩需求信号修改器可以修改所述斜坡，使得在电池电压较低时，沿着所述斜坡的所有点处转矩需求朝所述目标的增大速率与电池电压较高时相比都得到提升。这可以通过对斜坡应用正缩放因子来实现。

所述预限定斜坡可以被选择成使得在将所需求的马达转矩从零电压增大到等于所述电池电压的最大目标电压时，所述斜坡的最后部分处的梯度与所述预定梯度极限相匹配。

申请人已经认识到，在电池电压较低的情况下，可用的最大转矩将减小，并且因此将不会使用完全默认的斜坡并因此不会使用斜坡的最陡峭部分，该最陡峭部分生成最高的电流梯度。这意味着峰值梯度将低于梯度极限，并且因此提供次佳的斜升时间。本发明在于提升整个斜坡，使得在所有点处的梯度都得到增大，从而减少各个马达相达到目标电压所花费的时间，而不会超过梯度极限。

因此，当电池源电压低于标称电池电压时，所述设备可以提升斜坡。效果是保持斜坡的形状相同，但是减少达到最终值所花费的时间。电池电压减小的越多，斜坡提升的越多。

可以通过应用缩放因子并且将斜坡乘以缩放因子来提升斜坡。

如上面解释的，预限定斜坡的形状可以被选择成使得峰值转矩梯度不超过预限定速率以上的、将从马达汲取的电流的值。此速率可以被选择为低于电池可以由交流发电机连接器补充到电池的速率，使得随着时间推移，电池不会耗尽。

通常，电池源将包括连接到交流发电机的电池，当车辆的发动机运转时，交流发电机保持电池充满并为电动马达提供功率。因此，至于本发明所指的是从电源中汲取电流，它应该概括地被解释为从电池、从电池和交流发电机或仅从交流发电机汲取的总电流。后一种情况在电池已断开连接时适用。

所述转矩需求信号修改器可以例如使用查找表根据电池端子电压来生成电流极限中的一个或多个。

除了根据电池电压来修改斜坡之外，所述转矩需求信号修改器可以使用包括多个马达参数的马达的模型来确定转矩需求梯度。这些参数可以选自包括以下各项的非穷举列表：

马达定子等效电阻，

马达温度，

马达机械速度，

马达转矩常数，

马达最大电桥功率。

马达电桥等效电阻。

使用该模型允许针对给定的电池电压和目标转矩需求获得马达电流和马达电流梯度的良好估计。

转矩需求信号修改器可以包括信号处理电路。信号处理电路可以包括处理器和存储器，在该存储器中存储确定的值和参数。

所述转矩需求信号修改器可以基于所述电池电压和马达参数的模型来设定所述转矩需求梯度的极限。所述模型针对给定马达操作条件将所述转矩与所述马达电流相关联，并且可以包括诸如马达相电感和马达温度等变量。

申请人已经认识到，此模型可能并不总是防止电池电流梯度超过允许的极限。在马达电路模型不准确的情况下，例如如果温度快速变化且模型未考虑温度时，可能是这种情况。在针对一批电路预设定模型并且每个电路中使用的马达和驱动级略有不同的情况下，可能发生这种情况。

因此，所述设备可以包括电流监测器，所述电流监测器监测来自所述电流控制器的实际电流需求值或马达实际电流值或计算所述电流值的估计值，并且从这些值中确定实际电流梯度，并且在所述值超过所述电流梯度极限的情况下，所述转矩需求梯度限制器被布置成减小所施加的斜坡的提升量。然后，本发明的设备可以修改斜坡，从而减小沿斜坡的所有点处的电流梯度。

对实际电流或估计电流或电流需求梯度的监测可以形成反馈控制回路的一部分，使得将转矩需求极限驱动到最佳值，以限制从电池汲取或馈送到电池的电流。

在超过电流极限的情况下，通过监测马达中的实际电流的电流梯度并反馈到转矩梯度限制器，可以适应模型中的任何细微误差。因为这只是校正应该是小的误差，所以反馈回路的响应时间可能会相对较高。

驱动级可以将从控制器输出的信号转换为马达的每个相的脉冲宽度调制波形(PWM)，该波形带有具有第一状态和第二状态以及占空比率的周期脉冲宽度调制(PWM)驱动信号，该占空比率指示在周期中每个状态所花费的时间的比率。在控制器输出电流需求信号的情况下，驱动级可以将马达电流需求信号与表示向每个相施加的PWM信号的占空比率的信号组合在一起，以确定从电源汲取的电流的估计值，并且通过修改马达转矩需求信号来限制由马达从电源汲取的电流的变化率。电流汲取估计值可以表示为：

I＝da·Ia_需求+db·Ib_需求+dc·Ic_需求+I_ECU

其中，I＝汲取的电流的估计值；

da、db、dc是相a、b和c中的每一个的PWM信号的占空比率；

Ia_需求、Ib_需求、Ic_需求是PWM周期的导电部分期间的瞬时需求相电流；并且

I_ECU是可选的偏移，用于说明处理ECU汲取的电流。

从电流控制器输出的需求信号可以包括d q电流分量，并且该策略可以包括在α-β系中针对每个相从这些分量产生三相需求电流。这可能已经可以从控制器获得，但是如果不是这样，则该策略可以包括使用以下等式导出这些：

其中，I_{α_需求}和I_{β_需求}是静止α-β系中的电流分量，I_{d_需求}和I_{q_需求}是d轴电流需求信号和q轴电流需求信号，并且θ是转子电位置。

电流控制器可以包括PI(或PID)控制器。电流控制器可以包括转换装置，该转换装置用于将实际转矩需求信号转换为表示马达需求的实际总电流的实际电流需求信号，该实际电流需求信号将使马达生成实际需求转矩。

转矩需求发生器可以接收电动助力转向系统的转向部分中的转矩的度量作为输入，并且可以根据测得的转矩来确定目标转矩需求值。如熟悉马达控制系统设计的人员所公知的，可以使用将测得的转矩与转矩需求相关联的映射图。

根据第二方面，本发明提供了一种控制这种包括电动马达和控制电路的电动马达设备的方法，所述马达和所述控制电路由电池源供电，

所述方法包括：接收表示所述马达需求的目标转矩的目标转矩需求信号

生成实际转矩需求信号，所述实际转矩需求的值随时间遵循预限定斜坡而朝目标转矩需求值增大，所述预限定斜坡被选择以确保当所述电池供应的电压处于对应于所述电池充满电的标称值时，所述电流需求的最大电流梯度不超过预定极限，

从所述实际转矩需求信号中产生一组马达电流需求信号，

将电压施加到所述马达的每个相以使得电流在所述马达的每个相中与所述电流需求信号相对应地流动，

并且所述方法进一步包括根据所述电池电压修改所述预限定斜坡，使得所生成的最大电流梯度与预限定电流梯度极限值相匹配。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的一个实施例，在附图中：

图1是车辆电气系统的一部分的概图，示出了电动助力转向系统与电源的连接；

图2是本发明的控制策略可以应用于其的示例性电动助力转向系统的关键部分的示意性表示；

图3示出了可以在本发明的设备的实施例中使用的双通道马达和马达电桥；

图4是本发明的一种特定示例性实施方式的详细表示；并且

图5在曲线中示出了(a)当实际转矩需求遵循健康电池的标称映射图变化时马达电流的变化，(b)当实际转矩需求遵循部分耗尽电池的映射图变化时马达电流的变化，以及(c)当实际转矩需求遵循用于优化达到目标转矩需求值的时间的修改映射图变化时马达电流的变化。

具体实施方式

本发明的马达设备可以用于在广泛的应用中驱动马达。在以下示例中，该马达设备用于驱动在车辆的转向系统中施加辅助转矩的马达。这并不是旨在限制由权利要求限定的本发明的范围。

如图1所示，车辆设置有电动助力转向(EPAS)系统，该系统跨过电力轨2从车辆电源汲取电流i_电池。电源包括电池3(通常额定为12伏DC)，电池进而由交流发电机4充满。电池还为其他车辆附件5提供电流。

在附图的图2中示意性地示出了EPAS系统1。该系统包括附接到方向盘11的转向柱10、测量驾驶员在转动方向盘时向转向柱10施加的转矩的转矩传感器12、马达控制与驱动电路13以及电动马达14。

转矩传感器12可以附接到与转向柱10串联的套筒轴，并且马达14可以通常通过齿轮箱15作用在转向系统的转向柱或其他部分上。

马达14通常包括三相绕线定子元件和转子，转子中例如具有六个嵌入的磁体，在这种情况下，磁体被布置成提供六个极，这些极绕转子在南北极之间交替。因此，转子限定绕转子均匀间隔开的三个直轴或d轴以及在d轴之间互相间隔的三个交轴或q轴。d轴与磁体的磁极对准，其中来自转子的磁通线在径向方向上，并且q轴在d轴之间隔开，其中来自转子的磁通线在切线方向上。

三个马达定子绕组连接成星形网络。控制与驱动电路13的驱动电路部分包括形成开关级的三相电桥。这示出在图3中。电桥的每个臂包括一对开关，开关的形式为串联连接在电池供电轨2与地线之间的顶部晶体管T₁、T₃、T₅和底部晶体管T₂、T₄、T₆。马达绕组各自从一对互补的相应晶体管之间分接出。晶体管通过控制与驱动电路以受控方式打开和关闭，以提供施加到每个端子的电势的脉冲宽度调制(PWM)，由此控制施加在每个绕组上的电势差，因此还可以控制取决于马达各相a、b或c的占空比d而流过绕组的电流。这进而控制绕组产生的磁场的强度和取向，进而控制马达转矩。实际上，如图3所示，马达具有双通道，因此存在三相和三相电桥的副本。这两个通道可以并行运行，每个通道提供马达转矩的一半，或者一次使用一个通道。

图4示出了在顶层中如何控制马达转矩。

从转矩传感器12输出的转矩信号被馈送到马达设备的输入。这被输入到生成转矩需求信号的转矩需求发生器20。转矩需求信号的值表示马达需求的理想转矩，例如用于在驾驶员转动方向盘时向驾驶员提供辅助转矩。

转矩需求信号被馈送到可选的转矩需求限制器30，该转矩需求限制器限制所需求的最大转矩。此限制器的功能是限制电池需求的峰值电流，并且使用马达的模型50来确定将对应于该峰值电流的峰值转矩。

在可选的转矩需求限制器30之后是转矩需求信号修改器40。这用于优化马达中的电流梯度，以便在每当需要增大的转矩时使达到目标转矩所需的时间最小化。

从转矩需求信号修改器40输出的转矩需求信号被馈送到电流控制器60，该电流控制器通常生成由需求的电流与在马达中流动的实际电流之间的差形成的误差项，并且然后尝试最小化误差项的值。控制器输出信号，这些信号被馈送到马达的驱动电路70，以用于将误差理想地减小到零。

在最后一级中，驱动电路70将从电流控制器输出的d-q轴电流转换为静态参考系中的三相需求分量，马达的每个相a、b或c一相需求分量。然后，这些分量由驱动电路结合转子位置的估计值转换为合适的PWM信号，这些信号通过开关的PWM提供给开关马达相，这使需求的电流在马达相中流动。一系列PWM开关策略在本领域中是已知的，因此这里将不再详细描述。开关布置是公知的，并且在如EP 1083650A2的文件中进行了描述。

转矩需求信号修改器40使用斜坡来控制转矩从瞬时值到目标转矩需求值的增大速率。重要的是，需求转矩中过高的突然跳跃不会传递到电流控制器，因为这将导致被施加到马达的各个相的相电压将使得电流梯度超过电池源电源(电池或dc/dc转换器)的能力。使用渐变的斜坡确保了峰值电流梯度不超过预限定极限。此斜坡通常将被存储在转矩需求信号限制器可访问的存储器中。

转矩需求发生器20和转矩需求信号修改器40以及可选的转矩需求信号限制器30可以使用运行软件的电子控制单元来实施，该软件存储在存储器的区域中。

转矩需求信号修改器40包括斜升/斜降算法，该斜升/斜降算法限定并应用用于马达运行和发电运行的最大转矩梯度极限，并将此极限施加于初始转矩需求。这用于修改斜坡，该斜坡确定电流随时间的增大或减小速率。

申请人已经认识到，期望限制从马达汲取或反馈回马达的电流的变化率。申请人已经认识到，通过使用合适的马达模型，这可以通过限制转矩梯度而不是直接作用于在电流控制器内计算的电流来实现。此外，申请人已经认识到，期望优化梯度以使得最小化马达要满足目标转矩所花费的时间而不超过电流梯度极限。

使用接收多个马达参数作为输入的马达模型来计算转矩梯度极限。目的是，针对给定的电池电流梯度极限、给定的相电流梯度极限以及给定的马达速度，基于马达电路模型的参数，设定转矩梯度极限值，该转矩梯度极限值将电池电流的变化率限制为给定极限。

为了理解转矩梯度的含义，图5示出了电池电流需求随时间的变化。实线示出了用于从零转矩增大到目标转矩的转矩斜坡，该目标转矩等于从马达可获得的最大转矩，该斜坡仅在零和非常低的速度下是指数曲线。峰值转矩由马达参数和当电池充满电时的电池电压确定。值得注意的是，斜坡的形状被选择成使得在曲线末端处的峰值电流梯度与针对电路设定的预限定极限相匹配。

点划线示出了当电池电压减小时(例如当电池耗尽时)，峰值转矩如何减小。可以看出，电流已遵循同一斜坡增大。在斜坡的末端处，峰值电流梯度低于预限定极限。

短划线示出了在已经根据电池电压而修改了斜坡的情况下的增大速率。通过在所有点处提升斜坡，峰值梯度已经被恢复到极限，并且重要的是，达到极限所花费的时间已经被减少。

可以看出，该映射图被修改以将转矩需求的上升速率提升到最高电流梯度与电流梯度极限相匹配的水平。

模型误差减小

除了限制最大转矩需求梯度作为限制电流梯度的方式外，申请人已经认识到，有时模型对于通过限制转矩来实现电流极限而言不够准确。在具有完美模型的完美马达中，可以设定给出已知电流极限的转矩极限。在不完美的马达或模型中，实际电流可能仍会超过极限。转矩需求极限是针对静态条件(速度恒定和电流极限恒定)计算的估计值，并且不能保证如果实际转矩需求限制为此转矩极限则不会超过电池电流极限。这是因为在此计算链中使用的一些马达参数不是很准确地已知的(例如定子电阻)，并且因为在电流斜升期间需要额外的电流/功率使实际电流达到目标值。

为了适应此模型误差，该设备可以被配置成监测实际的马达电流，并且在这些电流确实超过设置的极限的情况下，可以指导进一步减小转矩需求极限。

Claims (11)

1.一种用于控制由诸如电池或dc/dc转换器的源供电的电动马达的电动马达设备，其中，所述电动马达设备包括：

控制器，所述控制器被布置成产生被馈送到所述马达的驱动级的一组信号作为输出，其中，所述驱动级被布置成将电压施加到所述马达的每个相，以使得电流在所述马达的每个相中与被馈送到所述控制器的电流需求信号相对应地流动，

转矩需求信号修改器，所述转矩需求信号修改器接收目标转矩需求信号作为输入并且输出实际转矩需求信号，所述目标转矩需求信号表示所述马达所需求的目标转矩，所述实际转矩需求信号被转换为被馈送到所述控制器的所述电流需求信号，所述实际转矩需求的值随时间遵循预限定斜坡而朝所述目标转矩需求值增大，所述预定义斜坡被选择以确保当所述电池供应的电压处于对应于所述电池充满电的标称值时，所述电流需求的最大电流梯度不超过预定极限，并且

其中，所述转矩需求信号修改器被布置成根据所述电池电压修改所述预限定斜坡，使得所生成的最大电流梯度与预限定电流梯度极限值相匹配。

2.根据权利要求1所述的电动马达设备，其中，所述转矩需求信号修改器修改所述斜坡，使得在电池电压较低时，沿着所述斜坡的所有点处转矩需求朝所述目标的增大速率与电池电压较高时相比都得到提升。

3.根据权利要求1或2所述的电动马达设备，其中，所述预限定斜坡被选择成使得在将所需求的马达转矩从零电压增大到等于所述电池电压的最大目标电压时，所述斜坡的最后部分处的梯度与所述预定梯度极限相匹配。

4.根据任一前述权利要求所述的电动马达设备，所述电动马达设备进一步适配成当所述电池源电压低于所述标称电池电压时提升所述斜坡。

5.根据权利要求4所述的电动马达设备，所述电动马达设备通过将所述斜坡乘以缩放因子来提升所述斜坡。

6.根据任一前述权利要求所述的电动马达设备，其中，所述转矩需求信号修改器根据所述电池端子电压来生成所述电流极限中的一个或多个。

7.根据任一前述权利要求所述的电动马达设备，其中，所述转矩需求信号修改器使用包括多个马达参数的所述马达的模型来确定转矩需求梯度，所述多个马达参数选自包括以下各项的列表：

马达定子等效电阻，

马达温度，

马达机械速度，

马达转矩常数，

马达最大电桥功率，以及

马达电桥等效电阻。

8.根据任一前述权利要求所述的电动马达设备，其中，所述转矩需求信号修改器基于所述电池电压和所述马达参数的模型来设定所述转矩需求梯度的极限，所述模型针对给定马达操作条件将所述转矩与所述马达电流相关联。

9.根据任一前述权利要求所述的电动马达设备，所述电动马达设备进一步包括电流监测器，所述电流监测器监测来自所述电流控制器的实际电流需求值或马达实际电流值或计算所述电流值的估计值，并且从这些值中确定实际电流梯度，并且在所述值超过所述电流梯度极限的情况下，所述转矩需求梯度限制器被布置成减小所施加的斜坡的提升量。

10.根据权利要求9所述的电动马达设备，其中，所述电流监测器对所述实际电流值或估计的电流值或电流需求梯度进行监测以作为反馈控制回路的一部分，使得将所述转矩需求极限驱动到最佳值，以限制从所述电池汲取或馈送到所述电池的电流。

11.一种控制包括电动马达和控制电路的类型的电动马达设备的方法，所述马达和所述控制电路由电池源供电，

所述方法包括：

接收目标转矩需求信号，所述目标转矩需求信号表示所述马达需求的目标转矩，

生成实际转矩需求信号，所述实际转矩需求的值随时间遵循预限定斜坡而朝目标转矩需求值增大，所述预限定斜坡被选择以确保当所述电池供应的电压处于对应于所述电池充满电的标称值时，所述电流需求的最大电流梯度不超过预定极限，

从所述实际转矩需求信号中产生一组马达电流需求信号，

将电压施加到所述马达的每个相以使得电流在所述马达的每个相中与所述电流需求信号相对应地流动，

并且所述方法进一步包括根据所述电池电压修改所述预限定斜坡，使得所生成的最大电流梯度与预限定电流梯度极限值相匹配。

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