CN115362626A - 马达控制装置 - Google Patents

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CN115362626A
CN115362626A CN202080099035.9A CN202080099035A CN115362626A CN 115362626 A CN115362626 A CN 115362626A CN 202080099035 A CN202080099035 A CN 202080099035A CN 115362626 A CN115362626 A CN 115362626A
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Abstract

提供一种马达控制装置，其减轻电流指令值的计算量而提高处理速度。求出从在dq轴正交坐标平面上绘制的最大效率曲线、电流最小曲线、电压最小曲线、电流限制圆、电压限制椭圆以及恒定扭矩曲线中选择出的2个曲线的交点中的作为电流指令而有效的交点的组合。然后，将交点的组合作为当前状态和转变目的地状态进行排列，进而制成设定了转变条件的状态转变表，根据从与当前状态对应的任意的交点按照转变条件进行了转变时的与转变目的地状态对应的交点在曲线上的位置关系，生成针对电动马达(15)的电流指令值。

Description

马达控制装置
技术领域
本发明涉及对电动马达进行驱动控制的马达控制装置。
背景技术
埋入磁铁型马达(IPM)等利用了磁阻扭矩的马达能够进行高扭矩运转、高速运转，因此作为牵引马达而成为电动汽车、混合动力车辆等的驱动源。一方面由于这样的IPM化而导致牵引马达的控制复杂化，另一方面，为了得到最大效率，需要使马达进行动作直至电压电流极限。
关于马达的最大效率控制，以往提出了各种方式。例如，在非专利文献1中，公开了使用了最大扭矩/电流控制(MTPA)曲线、最大扭矩/磁通控制(MTPF)曲线的控制算法。
在专利文献1中公开了如下控制：基于根据通过数值分析的方法计算出的xy平面上的曲线间的交点而得到的电流指令，从低速区域到高速区域依次将运转模式设为最大扭矩/电流(MTPA)运转、弱磁(CLVL)运转、最大扭矩/电压(MTPV)运转。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-226270号公报
非专利文献
非专利文献1：「磁阻扭矩应用马达」(电气学会/欧姆公司(2016/1))
发明内容
发明要解决的课题
在马达控制中，为了将该控制方法应用于实际的产品，需要能够对电压/电流限制的所有的情况进行稳定动作。然而，专利文献1和非专利文献1均只不过示出了可能产生电压/电流限制的情况的一部分。
例如，马达电流指令要满足电压电流限制(条件i)以避免控制失效，要满足指令扭矩(条件ii)以满足上位指令，最终需要满足马达效率的最大化条件(条件iii)。
非专利文献1图示了最大效率控制，但完全没有基于数学式的说明，因此在无法实施最大效率控制这一点上没有网罗全部情况。另外，非专利文献1提出了最佳电流表方式，但存在用于电流指令值的表生成成为高成本的问题。
在专利文献1中没有效率最大化的记述，例如，没有考虑不具有电压限制椭圆与电流限制圆的交点的情况，存在没有网罗所有的电压/电流限制条件(没有网罗不满足电压限制和电流限制双方的情况)这样的问题。另外，由于仅根据基准转子速度来判定所选择的交点，因此还考虑到因扭矩指令或电压电流限制值的变动而数值分析的方法(二维牛顿(Newton)法)的解消失，产生电流输出变得不稳定的情况。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，针对包括不满足电压电流限制条件的情况在内的所有的电压电流限制条件生成最佳的马达电流指令。
用于解决课题的手段
作为达成上述目的并解决上述课题的一个手段而具有以下结构。即，本申请的例示性的第1发明为马达控制装置，其在dq轴正交坐标系中通过电流矢量控制来驱动马达，其中，该马达控制装置具有如下单元：求出从dq轴正交坐标平面中的最大效率曲线、电流最小曲线、电压最小曲线、电流限制圆、电压限制椭圆以及恒定扭矩曲线中选择出的2个曲线的交点中的作为电流指令而有效的交点的组合的单元；将所述交点的组合作为当前状态和转变目的地状态而分别在行方向和列方向上进行排列，制成设定了从所述当前状态向所述转变目的地状态的转变条件的状态转变表的单元；以及根据从与所述当前状态对应的任意的交点按照所述转变条件进行了转变时的与所述转变目的地状态对应的交点在所述曲线上的位置关系，生成针对所述马达的电流指令值的单元。
本申请的例示性的第2发明为马达控制方法，在dq轴正交坐标系中通过电流矢量控制来驱动马达，其中，该马达控制方法具有如下工序：求出从dq轴正交坐标平面中的最大效率曲线、电流最小曲线、电压最小曲线、电流限制圆、电压限制椭圆以及恒定扭矩曲线中选择出的2个曲线的交点中的作为电流指令而有效的交点的组合；将所述交点的组合作为当前状态和转变目的地状态而分别在行方向和列方向上进行排列，制成设定了从所述当前状态向所述转变目的地状态的转变条件的状态转变表；以及根据从与所述当前状态对应的任意的交点按照所述转变条件进行了转变时的与所述转变目的地状态对应的交点在所述曲线上的位置关系，生成针对所述马达的电流指令值。
发明效果
根据本发明的马达控制装置，通过使用状态转变表，能够根据从多个曲线中选择出的2个曲线，在包括不具有作为电流指令而有效的交点的情况在内的所有的情况下输出稳定的马达控制电流指令。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的马达控制装置的整体结构的框图。
图2是示出dq轴正交坐标平面上的多个曲线的位置关系的图。
图3是对基于多个曲线的电流指令值的选择范围进行说明的图。
图4是示出关于基于电压电流限制的电流指令可能范围的各种情况的图。
图5是示出作为电流指令而有效的组合的图。
图6是设定了从当前状态向转变目的地状态的转变条件的状态转变表。
图7是示出本实施方式的马达控制装置中的指令电流的计算处理的流程图。
图8是示出作为电流指令而有效的组合的变形例的图。
图9是与图8的组合对应的状态转变表。
图10是示出不使用状态转变表的电流输出交点的选择例的流程图。
图11是示出变形例的马达控制装置的结构的框图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细地说明。
＜马达控制装置的结构＞
图1是示出本发明的实施方式的马达控制装置的整体结构的框图。图1所示的马达控制装置1具有马达控制部10、向作为控制对象的电动马达15提供规定的驱动电流的马达驱动部5等。马达控制部10由负责马达控制装置1的整体控制的例如微处理器构成，是进行反馈控制(F/B控制)等的中央控制部(CPU)，在该反馈控制中，以使在电动马达15中流动的电流与目标电流一致的方式反馈电流值。
电流指令部2使用后述的状态转变表，根据指示扭矩(扭矩指令值)Tq、电动马达15的旋转速度ω等而生成具有d轴成分和q轴成分的两相的指令电流值(目标电流值)即d轴的电流指令值Id*和q轴的电流指令值Iq*。
在存储器3中除了存储有马达控制部10所执行的马达控制程序以外，还存储有后述的状态转变的实施所需的状态转变表、程序等。存储器3例如是只读存储器(ROM)。存储器3可以为内置于马达控制部10的结构，或者也可以为外置的结构。
减法器13a对q轴的电流指令值Iq*与从坐标转换部28输出的q轴电流Iq的差分进行运算。另外，减法器13b对d轴的电流指令值Id*与从坐标转换部28输出的d轴电流Id的差分进行运算。
q轴PI控制部16a以使Iq*与Iq的差分收敛为零的方式进行PI(比例+积分)控制，计算q轴电压的指令值即q轴电压指令值Vq*。另外，d轴PI控制部16b通过以使Id*与Id的差分收敛为零的方式进行PI(比例+积分)控制，来计算d轴电压的指令值即d轴电压指令值Vd*。
坐标转换部17根据q轴、d轴的电压指令值Vq*、Vd*和电动马达15的旋转角度θ来运算马达施加电压。即，具有两相/三相转换功能的坐标转换部17根据旋转角度θ，将q轴电压指令值Vq*和d轴电压指令值Vd*转换为作为三相的每相的电压指令值的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。
三相转换后的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*被输入到PWM信号生成部21。PWM信号生成部21根据这些电压指令值而增减PWM(脉宽调制)控制信号的占空比，由此生成电动马达15的驱动信号。
即，PWM信号生成部21按照电压指令值，生成构成逆变器电路23的多个半导体开关元件(FET)的“接通”/“断开”控制信号(PWM信号)。这些半导体开关元件与电动马达15的各相(u相、v相、w相)对应。
开关元件(FET)也被称为功率元件，例如使用MOSFET(Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)等开关元件。
另外，PWM信号生成部21也可以构成为内置于生成马达驱动信号并作为FET驱动电路等而发挥功能的马达控制用集成电路(预驱动器IC)。
马达驱动部5的逆变器电路23是根据经由电源继电器24从电池BT提供的电力而生成驱动电动马达15的交流的马达驱动电路。电动马达15例如是表面磁铁型马达(SPM)、埋入磁铁型马达(IPM)等车载牵引马达。电源继电器24构成为能够切断来自电池BT的电力，也能够由半导体继电器构成。
由逆变器电路23向马达15提供的马达驱动电流利用由与各相对应地配置的电流传感器构成的电流检测部25来检测。电流检测部25例如使用由运算放大器等构成的放大电路来检测在马达驱动电流检测用的分流电阻中流动的直流电流。
来自电流检测部25的输出信号(电流检测信号)被输入到A/D转换部(ADC)27。这里，通过ADC 27的A/D转换功能将模拟电流值转换为数字值，通过该转换而得到的三相电流Iu、Iv、Iw被输入到坐标转换部28。
具有三相/两相转换功能的坐标转换部28根据由旋转角传感器29检测出的旋转角度θ和三相电流Iu、Iv、Iw，输出q轴电流Iq和d轴电流Id。即，坐标转换部28根据马达的实际电流(q轴实际电流、d轴实际电流)来运算d轴电流和q轴电流。
＜最佳效率控制＞
本实施方式的马达控制装置在马达控制中需要满足指令扭矩和速度并且使效率最大化，因此作为第1条件要满足电压/电流限制，作为第2条件，要在该电压/电流限制范围内使效率最大化。
因此，将x轴设为Iq成分，将y轴设为Id成分，在将y轴正方向定义为弱磁场方向的电流dq轴平面(dq轴正交坐标平面)上定义电流最小曲线、电压最小曲线、电流限制圆、电压限制椭圆这样的4个曲线。由这4个曲线包围的区域满足上述第1条件。并且，为了满足第2条件，将在上述的区域内与恒定扭矩曲线和最大效率曲线重叠或者最接近的点作为电流指令值而输出。
恒定扭矩曲线(CT曲线或者也简称为CT(Constant Torque))是满足恒定扭矩T的正交坐标(x，y)的轨迹，能够由式(1)表示。在式(1)中，ξm是永磁铁系数，在包含永磁铁的马达中，设为1，在不包含永磁铁的马达中设为0。Δη是无量纲马达常数η的最大值ηmax与最小值ηmin之差。
Figure BDA0003863338230000051
恒定扭矩曲线为双曲线，但在扭矩指令值T＞0、T＜0的任意情况下，都是在y≥0的范围内具有意义的电流指令。
使电流范数|i1|为恒定(x，y)的轨迹为i1 2＝x2+y2，设电流限制函数为LA(x，y)＝x2+y2。若将电流范数上限设定为|imax|，则电流限制圆是以原点为中心的半径|imax|的圆。因此，将由式(2)表示的曲线称为电流限制圆或LA(Limited Ampere：有限安倍)曲线。
x2+y2＝imax 2...(2)
将使电压范数|v1|为恒定的(x，y)的轨迹设为电压限制函数，由LV(x，y)＝(x-ηminωy+ξm)2+(y+ηmaxωy)2表示。若将电压范数的上限设定为|vmax|，则电压限制椭圆(LV(Limited Voltage：限制电压)曲线)能够由式(3)表示。
(x-ηminωy+ξmω)2+(y+ηmaxωx)2＝vmax 2…(3)
通过导出相对于恒定扭矩的电流范数最小化条件，来定义式(4)所示的电流范数最小曲线(也称为电流最小曲线、MA(Minimum Ampere：最小安培)曲线)。
(ξm+Δηy)y-Δηx2＝0…(4)
同样地，通过导出相对于恒定扭矩的电压范数最小化条件，来定义式(5)所示的电压范数最小曲线(也称为电压最小曲线、MV(Minimum Voltage：最小电压)曲线)。
-{Δηx+(ξm+Δηy)ηminω}(x-ηminωy+ξmω)
+{(ξm+Δηy)-Δηηmaxωx}(y+ηmaxωx)＝0
…(5)
最大效率曲线(也称为ME(Maximum Efficiency：最大效率)曲线)例如根据分析或者实测数据而导出磁滞损耗系数和涡电流损耗系数，使用包含它们的数学式如以下那样定义。
(ξm+Δηy)y-Δηx2+K2(ω){-ηmax 2Δηx2+ηmin(ξm+Δηy)(ηminy-ξm)}＝0
…(6)
在式(6)中，K(ω)是电流非依赖系数，在将磁滞损耗系数设为kh、将涡电流损耗系数设为ke的情况下，能够如以下那样定义。
Figure BDA0003863338230000071
上述的电流最小曲线、电压最小曲线、最大效率曲线是以y轴为主轴的向上的双曲线。最大效率曲线是使用马达的铁损来记述的二次曲线。
图2示出了上述曲线中的5个曲线(MV曲线、ME曲线、MA曲线、LA曲线、LV曲线)在dq轴正交坐标平面上的位置关系。图2的横轴为iq轴(x轴)，纵轴为id轴(y轴)，关于各曲线的大小关系(相对于相同的x坐标的y坐标的值)，MV曲线＞ME曲线＞MA曲线的关系成立。
在y＞0的范围内，MA曲线、MV曲线、ME曲线互不相交。另一方面，MA曲线与LA曲线必定相交，MV曲线与LV曲线也必定处于相交的关系。
接着，对本实施方式的马达控制装置中的电流指令值的选择方法进行说明。在图2中，MA、MV、LA、LV的内侧是满足电压电流限制的区域(用标号A表示)，CT曲线的线上满足指令扭矩。这里，存在多个满足这些条件的点，但通过在ME曲线与CT曲线的交点处兼顾指令扭矩和最大效率，并选择这一点作为电流指令值，能够实现马达效率最大化。因此，在电流指令值的选择中，满足电压电流限制成为必须的条件。
并且，参照图3对电流指令值的选择范围进行说明。图3的(a)是扭矩指令值T＞0的情况，图3的(b)与扭矩指令值T＜0的情况对应，上述的多个二次曲线成为电流指令值的限制条件。
如图3所示，由作为2个抛物线的MV曲线和MA曲线夹着的范围是作为电流输出而有效的动作点，该范围的开口部被LA曲线和LV曲线限制。因此，由这些曲线包围的、在图3中标注了斜线的区域是电流指令可输出范围，是LV曲线内、LA曲线内、MA曲线以上、MV曲线以下这4个条件全部满足的范围。
能够输出指令扭矩的情况是在上述范围内包含基于指令扭矩的CT曲线的情况。在扭矩指令大而不包含CT曲线的情况下，选择在电压电流限制范围内使扭矩最大化的点作为电流指令值。在包含CT曲线的情况下，选择效率最佳的与ME曲线的交点或者最接近ME曲线的点作为电流指令值。
基于电压电流限制的电流指令可能范围如图4所示那样，在电压饱和阶段有3种(电压始终饱和、电压部分饱和、无电压饱和)、在电流饱和阶段有3种(电流始终饱和、电流部分饱和、无电流饱和)，而总共有9种。
但是，由于不存在电压和电流双方没有限制的马达，因此将无电压饱和以及无电流饱和的情况(图4的(g))除外。另外，将不存在可输出范围的情况(图4的(j))定义为NOVA(No cross Voltage and Ampere：无交叉电压和安培)。在图4的各情况中，用箭头表示扭矩增加方向，用双重圆圈(◎)表示扭矩最大点。
另外，这里，曲线相互的交点使用将交叉的这些曲线的简称连接起来的称呼。具体而言，将最大效率曲线与恒定扭矩曲线的交点称为MECT，将电流限制圆与恒定扭矩曲线的交点称为LACT，将电流最小曲线与电流限制圆的交点称为MALA，将电压限制椭圆与恒定扭矩曲线的交点称为LVCT，将电压最小曲线与电压限制椭圆的交点称为MVLV，将电压限制椭圆与电流限制圆的交点称为LVLA。
如图4所示，在仅进行电压限制的情况下，MVLV成为扭矩最大点(图4的(a)、(d))，如果仅是电流限制，则MALA成为扭矩最大点(图4的(h)、(i))，在存在电压和电流双方的限制的情况下，LVLA成为扭矩最大点(图4的(b)、(c)、(e)、(f))。
关于CT曲线，在其不与电流输出范围重叠的情况下，将扭矩最大点作为电流指令值。在CT曲线与电流输出范围重叠的情况下，将电流输出范围内且在CT曲线上最接近ME曲线的点作为电流指令值。
接着，对在本实施方式的马达控制装置中筛选电流指令值的方法进行说明。电流指令值是从上述的式(1)～式(6)所表示的6个曲线中选择出的2个曲线的交点，从这6个曲线中选择2个曲线而得的组合有15种，但作为电流指令而有效的组合如图5所示那样，只限于MECT、LVCT、LACT、MVLV、MALA、LVLA这6种。
其原因在于，如上所述，MA、MV、ME间不存在交点，MALV、MVLA、MELV、MELA、MACT、MVCT不会成为有效的电流输出。另外，有时LACT、LVCT、LVLA不存在交点。
因此，能够以包括不具有作为电流指令而有效的交点的情况在内的7种网罗所有的情况。因此，本实施方式的马达控制装置将这7种情况看作状态，使用图6所示的状态转变表来实施电流指令值的选择。
在图6的状态转变表中，作为电流指令而有效的交点的组合在行方向和列方向上作为当前状态和转变目的地状态而分别排列，并设定从当前状态向转变目的地状态的转变条件(C1～C18)。转变条件是用于从任意的交点向其他交点移动的判断条件，该判断条件取决于当前的交点，因此成为状态转变机器。×标记表示没有转变。
在图6的状态转变表中，MALA、MVLV、LVLA、NOVA是扭矩饱和的状态。这里，将MVLV、MALA、LVLA的扭矩分别定义为电压饱和扭矩Tv、电流饱和扭矩Ta、电压电流饱和扭矩Tva。
虽然它们不取决于当前状态，但会根据速度、电流限制值等参数而变动。能够追随扭矩指令的时MECT、LVCT、LACT这3个状态，它们中的效率最大的仅是MECT。|v|、|i|、ME分别表示当前状态的电压范数、电流范数、ME函数输出。
扭矩饱和的状态(MALA、MVLV、LVLA、NOVA)间的转变由电流限制、电压限制以及速度的关系来决定。在
Figure BDA0003863338230000091
发生了变化的转变(LVCT、
Figure BDA0003863338230000092
MVLV、LVLA)中，在Tv或Ta的扭矩变得未饱和的情况下，转变目的地有1种。
另一方面，在Tva变得未饱和时，认为转变目的地有LVCT和LACT这2种。通过ME曲线、LV曲线以及LA曲线的共享点速度ωMELVA来判别向哪一个转变。
另外，也可以还具有保护单元，在不具有作为电流指令而有效的交点的情况下，该保护单元对马达至少应用过电流保护和过电压保护中的任一方或双方。由此，在没有可输出范围的情况下，能够保护马达免于过热，防止控制元件的破坏、故障等。
接着，对本实施方式的马达控制装置中的电流指令的输出动作进行说明。图7是示出本实施方式的马达控制装置中的电流指令值的计算处理的流程图。
在图7的步骤S11中，马达控制部10将上述6个二次曲线定义在dq轴正交坐标平面上。具体而言，将MV曲线、ME曲线、MA曲线、LA曲线、LV曲线、CT曲线绘制在xy平面上。在接下来的步骤S13中，定义从在步骤S11中绘制的6个曲线中选择出的2个曲线的交点。这里的交点的组合如上述那样有作为电流指令而有效的6种与不具有作为电流指令而有效的交点的组合总共这7种。
在步骤S15中，将作为在上述的步骤S13中得到的电流指令而有效的交点的组合在行方向和列方向上分别作为当前状态和转变目的地状态而进行排列，制成对它们附加了转变条件的图6所示的状态转变表。
在步骤S17中，马达控制部10设定初始状态(例如，从MECT开始)，在步骤S19中，判断是否满足后述的转变条件。在满足转变条件的情况下，在步骤S21中，按照在上述的步骤S15中制成的状态转变表，将指令扭矩、马达转速等作为转变条件而实施从规定的交点向其他交点移动的状态转变。由此，筛选转移目的地(转变目的地)，选择在电压/电流限制范围内使扭矩最大化的点作为电流指令。在存在多个能够输出的电流指令的情况下，满足指令扭矩而以最大效率输出。
这样，只要初始值(x，y)满足转变条件，就重复进行实施其他状态转变的处理(步骤S19、S21)。在不满足转变条件的情况下(在步骤S19中为“否”)，在步骤S23中，马达控制部10计算当前状态的交点的电流指令值。这里，例如使用2变量牛顿法、代数解法等来计算满足效率最大化的条件的电流指令值(q轴的电流指令值Iq*、d轴的电流指令值Id*)。各交点的电流指令值能够通过选择2个曲线而求解2元2次方程式来导出。
在步骤S25中，判断状态转变处理是否已结束，在未结束的情况下，使处理返回到步骤S19，实施基于其他转变条件的状态转变处理。
接着，对在本实施方式的马达控制装置中实施了基于状态转变表的状态转变的最佳效率控制的验证结果进行说明。
在使用了状态转变表的状态转变的实施中，终止点有MALA、MVLV、LVLA这3种模式，这里，在扭矩增加方向和减少方向这两个方向上验证各自的控制场景。并且，还对终止点在
Figure BDA0003863338230000101
之间变化的情况进行验证。
另外，以下，将全部指令扭矩设为“正”来进行说明，但指令扭矩为“负”也是同样的。
＜状态转变的实施例1＞
这里，作为状态转变的实施例1，对终止点为MALA的情况进行验证。例如，在扭矩从0增加的方向上，在满足指令扭矩和最佳效率的同时在ME曲线上前进(MECT)。与LA曲线相交，电流饱和(|i|≥|imax|：图6的转变条件C2)。接着，在满足指令扭矩的同时在LA曲线上前进(LACT)。
扭矩饱和(T*≥Ta：转变条件C7)，终止于与MA曲线相交的点MALA。虽然扭矩最大点是MALA，但在MALA中不满足指令扭矩。转变条件C7是将LACT的正交坐标(x，y)代入MA而成为0以下(即，MA＜0)的条件。
因此，如果在从扭矩MALA减少的方向上消除了扭矩饱和(T*＜Ta：转变条件C9)，则在满足指令扭矩的同时在LA曲线上前进(LACT)。与ME曲线相交(ME＞0：转变条件C6)，在ME曲线上前进而实施最佳效率控制(MECT)。另外，转变条件C9是将LACT的正交坐标(x，y)代入MA而成为0以上(即，MA＞0)的条件。
＜状态转变的实施例2＞
在终止点为MVLV的情况下，在电压部分饱和和电压始终饱和中场景不同。在电压始终饱和的情况下，作为ME曲线与LV曲线的关系，可以考虑以下的多种。
场景A：Y截距为ME＞LV
场景B：Y截距为LV≥ME、且LV曲线与ME曲线的交点为2个
场景C：Y截距为LV≥ME、且LV曲线与ME曲线的交点为0～1个
在电流部分饱和的情况下，仅符合上述的场景A。
【场景A】
在从扭矩0增加的方向上，在满足指令扭矩和最佳效率的同时在ME曲线上前进(MECT)。与LV曲线相交，电压饱和(|v|≥|vmax|：转变条件C1)。接着，在满足指令扭矩的同时在LV曲线上前进(LVCT)。当扭矩饱和时(T*≥Tv：转变条件C4)，终止于与MV曲线相交的点MVLV。扭矩最大点是MVLV，在MVLV中不满足指令扭矩。具体而言，转变条件C4是将LVCT的正交坐标(x，y)代入MV而成为0以上(即MV＞0)的条件。
在从扭矩MVLV减少的方向上，若消除了扭矩饱和(T*＜Tv：转变条件C11)，则在满足指令扭矩的同时在LV曲线上前进(LVCT)。与ME曲线相交(ME＜0：转变条件C3)，在ME曲线上前进而实施最佳效率控制(MECT)。转变条件C11是将LVCT的正交坐标(x，y)代入MV而成为0以下(即MV＜0)的条件。
【场景B】
在从扭矩0开始增加的方向上，以y轴与LV曲线的交点为起点，在LV曲线上前进(LVCT)。在ME曲线成为LV曲线的内侧时(|v|≤|vmax|)，输出变化为MECT。之后，由于ME曲线再次成为LV曲线的外侧(|v|≥|vmax|：转变条件C1)，输出变为LVCT，当扭矩饱和时(T*≥Tv：转变条件C4)，终止于与MV曲线相交的点MVLV。
在从扭矩MVLV减少的方向上，若消除了扭矩饱和(T*＜Tv：转变条件C11)，则在满足指令扭矩的同时在LV曲线上前进(LVCT)。与ME曲线相交(ME＜0：转变条件C3)，在ME曲线上前进而实施最佳效率控制(MECT)，MECT的电压再次饱和(|v|≥|vmax|：转变条件C1)，返回到LVCT。
【场景C】
在从扭矩0增加的方向上，在满足指令扭矩的同时在LV曲线上前进(LVCT)。当扭矩饱和时(T*≥Tv：转变条件C4)，终止于与MV曲线相交的点MVLV。
在从扭矩MVLV减少的方向上，若消除了扭矩饱和(T*＜Tv：转变条件C11)，则在满足指令扭矩的同时在LV曲线上前进(LVCT)。
＜状态转变的实施例3＞
在终止点为LVLA的情况下，根据MECT的电流、电压中的哪一个先饱和，有以下的2个场景。
【电流先饱和的场景】
在从扭矩0增加的方向上，在满足指令扭矩和最佳效率的同时在ME曲线上前进(MECT)。与LA曲线相交，电流饱和(|i|≥|imax|：转变条件C2)。接着，在满足指令扭矩的同时在LA曲线上前进(LACT)。与LV曲线相交，电压和扭矩饱和(T*≥Tva：转变条件C8)，终止于LVLA。扭矩最大点是LVLA，在LVLA中不满足指令扭矩。转变条件C8是将LACT的正交坐标(x，y)代入LV而成为vmax 2以上(即，电压饱和)的条件。
在从扭矩LVLA减少的方向上，由于在消除了扭矩饱和时满足T*＜Tva且ω≤ωMELVA(转变条件C14)，因此在满足指令扭矩的同时在LA曲线上前进(LACT)。当与ME曲线相交时(ME＞0：转变条件C6)，在ME曲线上前进而实施最佳效率控制(MECT)。
【电压先饱和的场景】
在从扭矩0增加的情况下，在满足指令扭矩和最佳效率的同时在ME曲线上前进(MECT)。与LV曲线相交，电压饱和(|v|≥|vmax|：转变条件C1)。接着，在满足指令扭矩的同时在LV曲线上前进(LVCT)。与LA曲线相交，电压和扭矩饱和(T*≥Tva：转变条件C5)，终止于LVLA。扭矩最大点是LVLA，在LVLA中不满足指令扭矩。转变条件C5是将LVCT的正交坐标(x，y)代入LA而成为imax 2以上(即，电流饱和)的条件。
在从扭矩LVLA减少的方向上，由于在消除了扭矩饱和时满足T*＜Tva且ω＞ωMELVA(转变条件C13)，因此在满足指令扭矩的同时在LV曲线上前进(LVCT)。当与ME曲线相交时(ME＜0：转变条件C3)，在ME曲线上前进而实施最佳效率控制(MECT)。
另外，关于转变条件C13、C14，也可以代替ωMELVA而使用将LVLA的正交坐标(x，y)代入ME时的符号，如果ME＞0则向LVCT转变，如果ME≤0则向LACT转变。
＜状态转变的实施例4＞
Figure BDA0003863338230000131
在终止于MVLV点的状态下，当MVLV为电流饱和时(|i|≥|imax|：转变条件C12)，电流输出转变为LVLA。同样地，在终止于LVLA点的状态下，当LVLA的相位比MV曲线超前时(ω＞ωMVLVA：转变条件C16)，电流输出转变为MVLV。另外，转变条件C16是将LVLA的正交坐标(x，y)代入MV而成为0以上(即MV＞0)的条件。转变条件C12也可以设为将转变条件C16反转而得的ω≤ωMVLVA。
＜状态转变的实施例5＞
Figure BDA0003863338230000132
在终止于MALA点的状态下，当MALA为电压饱和时(|v|≥|vmax|：转变条件C10)时，电流输出转变为LVLA。同样地，在终止于LVLA点的状态下，当LVLA的相位比MA曲线滞后时(ω＜ωMALVA：转变条件C15)，电流输出转变为MALA。另外，转变条件C15是将LVLA的正交坐标(x，y)代入MA而成为0以下(即，MA＜0)的条件。转变条件C10也可以设为将转变条件C15反转而得的ω≥ωMALVA。
＜状态转变的实施例6＞
【NOVA转变】
电压限制椭圆(LV)与电流限制圆(LA)不具有交点的状态NOVA以速度ωNOVA为转变条件在与LVLA之间转变(转变条件C17、C18)。该电流输出不是满足电流和电压双方的点，因此可以考虑如下的2种方针。
(i)优先进行过电流保护，成为使电压绝对值最小化的y轴上的点(y＝imax)
(ii)优先进行过电压保护，成为使电流绝对值最小化的y轴上的点(作为将x＝0代入LV曲线而得的下述的式(8)的解的式(9))
(1+ηmin 2ω2)y2-2ξmηminω2y+ξmω2-vmax 2＝0…(8)
Figure BDA0003863338230000141
如以上所说明的那样，本实施方式的马达控制装置在电压/电流限制下决定马达的指令电流时，使用设定了从当前状态向转变目的地状态的转变条件的状态转变表，根据各曲线的电流矢量平面上的位置关系来决定转变目的地，此时，着眼于作为针对马达的电流指令(电流输出)而有效的2个曲线的交点来计算电流矢量的指令值，由此能够减轻对马达的电流指令值的计算量，实现处理速度的提高和成本降低。
即，在选择上述那样的电流指令值并进行计算的方法中，从最初避免了在图6所示的状态转变表中附加了×标记的没有转变条件的处理，因此例如与如图10所示的流程图那样判断所有的交点的适当与否(即，还每次判断状态转变表的×标记的条件)的处理相比，处理速度大幅改善。此外，无论有无磁铁、是表面磁铁型马达(SPM)、还是埋入磁铁型马达(IPM)，都是能够与所有的同步机对应的电流指令值的计算方法。
另外，在图10中，|Tcom|为指令扭矩的绝对值，|W|为当前转速的绝对值，Vlmt为电压限制值，Ilmt为电流限制值，V(MECT)为MECT交点电压，I(MECT)为MECT交点电流，T(MVLV)为MVLV交点扭矩，T(MALA)为MALA交点扭矩，T(LVLA)为LVLA交点扭矩，w_MALVA为MA、LV、LA的3重交点速度，w_MVLVA为MV、LV、LA的3重交点速度，w_NOVA为不存在满足电压限制椭圆和电流限制圆双方的点的|w_MALVA|以上的速度。
另外，根据本实施方式，通过将不满足电流条件和电压条件双方的状态也装入状态转变表中，能够避免在不存在解的条件下的无用的计算，能够防止用于电流指令的交点坐标的运算的失败而实现控制的稳定化。
换言之，在电流指令值的选择中，通过考虑不存在可输出范围的状态，能够可靠地排除在曲线间没有交点的状态而避免电流控制的失败。
并且，即使电压限制值、电流限制值、电阻值、电感、交链磁通等参数发生变动，由于每次都实施状态转变计算而转变到适当的状态，因此没有遗漏、泄漏、计算失败等，例如即使是电动车辆驱动用马达等磁饱和、电压变动剧烈的马达，也能够进行最大效率控制。
另外，不仅能够进行铜损，还能够进行包括作为磁滞损耗与涡电流损耗之和的铁损在内的与最优化对应的最大效率控制。由此，与制成效率映射的现有的控制相比，能够减少工时，能够减轻实机的处理负载。
本发明并不限定于上述的实施方式，能够进行各种变形。
＜变形例1＞
在上述的实施方式的马达控制装置中，作为电流指令而有效的组合为图5所示的6种，但在不考虑马达的铁损的情况下，组合不限定于此。
例如，以铜损最小为目的，也可以用MA曲线代替ME曲线。在该情况下，从去除了ME后的5个曲线中选择2个曲线的组合有10种。另外，在上述的条件下排除3种，为了维持电流最小，也不使用LACT。其结果为，作为电流输出而有效的组合仅限于图8所示的MACT、LVCT、MVLV、MALA、LVLA这5种。
图9是将上述5种情况理解为状态，并且是将添加了作为组合中不存在可输出范围的情况的NOVA的6个状态作为当前状态和转变目的地状态而进行排列的状态转变表。图9的状态转变表例如适于低速、大电流马达的控制所需的电流指令值的选择。
＜变形例2＞
本发明的实施方式的马达控制装置并不限定于图1所示的结构。在图1所示的马达控制装置中，以使目标值与电流检测值一致的方式进行反馈控制，但例如也可以如图11所示的马达控制装置1a那样，采用进行不对电流检测值进行与目标值的对比等的前馈控制(F/F控制)的结构。
马达控制装置1a进行基于马达电压方程式的前馈控制。因此，马达控制部10a的电压指令部4根据由电流指令部2生成的d轴的电流指令值Id和q轴的电流指令值Iq，通过下述的电压方程式(10)来运算d轴电压指令值Vd和q轴电压指令值Vq。
Figure BDA0003863338230000151
在式(10)中，Ld是马达的d轴电感，Lq是马达的q轴电感，R是定子线圈的电阻(绕组电阻)，Φa是马达的交链磁通，ω是电角速度，通过事先测定或驱动中的检测/推断来准备它们。其中，p是微分运算符。
标号说明
1、1a：马达控制装置；2：中央控制部(CPU)；3：存储器；4：电压指令部；5：马达驱动部；10、10a：马达控制部；15：电动马达；16a：q轴PI控制部；16b：d轴PI控制部；17、28：坐标转换部；21：PWM信号生成部；23：逆变器电路；24：电源继电器；25：电流检测部；27：A/D转换部(ADC)；29：旋转角传感器；BT：外部电池。

Claims (12)

1.一种马达控制装置，其在dq轴正交坐标系中通过电流矢量控制来驱动马达，其中，
该马达控制装置具有如下单元：
求出从dq轴正交坐标平面中的最大效率曲线、电流最小曲线、电压最小曲线、电流限制圆、电压限制椭圆以及恒定扭矩曲线中选择出的2个曲线的交点中的作为电流指令而有效的交点的组合的单元；
将所述交点的组合作为当前状态和转变目的地状态而分别在行方向和列方向上进行排列，制成设定了从所述当前状态向所述转变目的地状态的转变条件的状态转变表的单元；以及
根据从与所述当前状态对应的任意的交点按照所述转变条件进行了转变时的与所述转变目的地状态对应的交点在所述曲线上的位置关系，生成针对所述马达的电流指令值的单元。
2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述状态转变表包含相对于所述曲线不具有有效的交点的状态作为所述当前状态和所述转变目的地状态。
3.根据权利要求2所述的马达控制装置，其中，
该马达控制装置还具有保护单元，在不具有所述有效的交点的情况下，该保护单元对所述马达至少应用过电流保护和过电压保护中的任一方或双方。
4.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述状态转变表包含如下转变：
第1转变，将所述最大效率曲线与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将规定的电流饱和作为所述转变条件，将所述电流限制圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态；
第2转变，将所述电流限制圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将规定的扭矩饱和作为所述转变条件，将所述电流最小曲线与所述电流限制圆的交点坐标作为所述转变目的地状态；
第3转变，将所述电流最小曲线与所述电流限制圆的交点坐标作为所述当前状态，将规定的扭矩饱和的消除作为所述转变条件，将所述电流限制圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态；以及
第4转变，将所述电流限制圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将与所述最大效率曲线的相交状态作为所述转变条件，将所述最大效率曲线与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态。
5.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述状态转变表包含如下转变：
第5转变，将所述最大效率曲线与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将规定的电压饱和作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态；
第6转变，将所述电压限制椭圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将规定的扭矩饱和作为所述转变条件，将所述电压最小曲线与所述电压限制椭圆的交点坐标作为所述转变目的地状态；
第7转变，将所述电压最小曲线与所述电压限制椭圆的交点坐标作为所述当前状态，将规定的扭矩饱和的消除作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态；以及
第8转变，将所述电压限制椭圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为当前状态，将与所述最大效率曲线的相交状态作为所述转变条件，将所述最大效率曲线与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态。
6.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述状态转变表包含如下转变：
第9转变，将所述最大效率曲线与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将规定的电流饱和作为所述转变条件，将所述电流限制圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态；
第10转变，将所述电流限制圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将规定的扭矩饱和作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述转变目的地状态；
第11转变，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述当前状态，将满足规定的扭矩饱和的消除和转速作为所述转变条件，将所述电流限制圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态；以及
第12转变，将所述电流限制圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将与所述最大效率曲线的相交状态作为所述转变条件，将所述最大效率曲线与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态。
7.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述状态转变表包含如下转变：
第13转变，将所述最大效率曲线与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将规定的电压饱和作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态；
第14转变，将所述电压限制椭圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将规定的扭矩饱和作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述转变目的地状态；
第15转变，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述当前状态，将满足规定的扭矩饱和的消除和转速作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态；以及
第16转变，将所述电压限制椭圆与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述当前状态，将与所述最大效率曲线的相交状态作为所述转变条件，将所述最大效率曲线与所述恒定扭矩曲线的交点坐标作为所述转变目的地状态。
8.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述状态转变表包含如下转变：
第17转变，将所述电压最小曲线与所述电压限制椭圆的交点坐标作为所述当前状态，将规定的电流饱和作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述转变目的地状态；以及
第18转变，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述当前状态，将相位比所述电压最小曲线超前作为所述转变条件，将所述电压最小曲线与所述电压限制椭圆的交点坐标作为所述转变目的地状态。
9.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述状态转变表包含如下转变：
第19转变，将所述电流最小曲线与所述电流限制圆的交点坐标作为所述当前状态，将规定的电压饱和作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述转变目的地状态；以及
第20转变，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述当前状态，将相位比所述电流最小曲线滞后作为所述转变条件，将所述电流最小曲线与所述电流限制圆的交点坐标作为所述转变目的地状态。
10.根据权利要求2所述的马达控制装置，其中，
所述状态转变表包含如下转变：
第21转变，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆不具有交点的状态作为所述当前状态，将满足规定的转速作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述转变目的地状态；以及
第22转变，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆的交点坐标作为所述当前状态，将满足规定的转速作为所述转变条件，将所述电压限制椭圆与所述电流限制圆不具有交点的状态作为所述转变目的地状态。
11.根据权利要求1至10中的任意一项所述的马达控制装置，其中，
所述最大效率曲线是使用所述马达的铁损来记述的二次曲线。
12.一种马达控制方法，在dq轴正交坐标系中通过电流矢量控制来驱动马达，其中，
该马达控制方法具有如下工序：
求出从dq轴正交坐标平面中的最大效率曲线、电流最小曲线、电压最小曲线、电流限制圆、电压限制椭圆以及恒定扭矩曲线中选择出的2个曲线的交点中的作为电流指令而有效的交点的组合；
将所述交点的组合作为当前状态和转变目的地状态而分别在行方向和列方向上进行排列，制成设定了从所述当前状态向所述转变目的地状态的转变条件的状态转变表；以及
根据从与所述当前状态对应的任意的交点按照所述转变条件进行了转变时的与所述转变目的地状态对应的交点在所述曲线上的位置关系，生成针对所述马达的电流指令值。
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