用于调节用来控制异步电机的操作的电流和/或转矩命令的方法、系统和装置

摘要

本发明涉及用于调节用来控制异步电机的操作的电流和/或转矩命令的方法、系统和装置。本公开的实施例涉及用于调节用来基于异步电机的转子通量控制异步电机的操作的电流和/或转矩命令的方法、系统和装置。

说明书

技术领域

本技术领域总体涉及用于控制多相系统的操作的技术，并且更具体地涉及用于调节用来控制异步电机的操作的电流和/或转矩命令的方法、系统和装置。

背景技术

电机器被用于各种各样的应用中。例如，混合动力/电动车辆（HEV）通常包括电动牵引驱动系统，其包括交流（AC）电机，该电机由功率变流器驱动，该变流器带有直流（DC）功率源，例如蓄电池。AC电机的电机绕组可被联接到功率逆变器模块的逆变器子模块。每个逆变器子模块包括一对开关，其以互补方式切换以执行快速切换功能从而将DC功率变换到AC功率。这个AC功率驱动AC电机，其进而驱动HEV的传动系的轴。

在许多系统中，逆变器模块由切换向量信号驱动，该信号是基于电压命令信号产生的。电压命令信号是基于电流命令信号产生的，电流命令信号是从转矩-电流映射模块提供的。在这种系统中，转矩-电流映射模块接收转矩命令信号（Te*）、电机的角转速（ωr）、和DC输入电压（V_DC）作为输入，并且将这些输入映射到电流命令，该电流命令将理想地使电机在给定电机速度（ωr）上产生所命令的转矩（Te*）。

在控制异步电机（例如，感应电机）的转矩时，可能很难实现高电机效率和快速转矩响应。这部分地是由于转子通量相对于定子电流的固有滞后特征。

为了改善电机效率，一种传统方法是将电流命令转换速率设置为与现在用于控制同步电机（例如，永磁电机）的电流命令转换速率相比相对较低的值。不过，设置转换速率为较低的值会阻止快速转矩响应，其在许多感应电机中是可取的。一种确实实现更快转矩响应的方式是维持转子通量在高于某一水平的恒定值。不过，这种方法会减少电机和/或逆变器效率，因为必须要维持通过电机/逆变器的电流处于某一水平。

可取的是，提供改进的方法、系统和装置，其用来产生用于控制异步电机例如感应电机的转矩命令和/或电流命令。还可取的是，这种方法、系统和装置能提供快速转矩响应同时实现了可接受的效率水平。公开的实施例的其它令人满意的特征和特点将从下面的具体描述和所附的权利要求并结合附图以及前面的技术领域和背景技术而变得易于理解。

发明内容

本公开的实施例涉及用于控制异步电机的操作的方法、系统和装置。根据所公开的实施例中之一，提供了一种方法，其在控制器处被执行以控制异步电机。控制器能确定异步电机的“被监测的”转子通量反馈，并且基于该转子通量反馈，能产生一个或多个控制信号，其控制用于产生最终电流命令的一个或多个转换速率。取决于实施方式，转子通量反馈可被测量或估计（例如，适用通量传感器测量，或适用通量估计器模块估计），并且在一些实施方式中，可以是例如d-轴转子通量或转子通量反馈的大小。

在一个实施例中，控制信号可包括第一控制信号和/或第二控制信号，并且一个或多个转换速率包括转矩转换速率和/或电流转换速率。在一个实施例中，第一控制信号动态地调节转矩转换速率，并且第二控制信号动态地调节电流转换速率，这独立于转矩转换速率，使得转矩和电流转换速率具有不同的值。在一个实施例中，第一控制信号可通过最初通过第一控制信号设置转矩转换速率为慢转矩转换速率值来产生。转子通量比的值此时可被计算，并且可确定转子通量比的值是否大于高阈值。在一个实施例中，转子通量比是转子通量反馈与转子通量命令的比。在一个实施例中，转子通量命令从查询表确定，该查询表将转矩命令值映射到对应的转子通量命令值。当转子通量比的值被确定为大于或等于高阈值时，转矩转换速率可通过第一控制信号被设置为更快的转矩转换速率值。相比而言，当转子通量比的值被确定为小于高阈值时，可确定转子通量比的值是否小于低阈值，并且如果小于，那么转矩转换速率可通过第一控制信号被设置为慢转矩转换速率值。

类似地，在另一实施例中，第二控制信号可通过最初通过第二控制信号将电流转换速率设置为慢电流转换速率值来产生，并且转子通量比的值可被计算。此时可确定转子通量比的值是否大于另一高阈值，其不同于用于产生第一控制信号的高阈值。当转子通量比的值被确定为大于或等于另一高阈值时，电流转换速率可通过第二控制信号被设置为更快的电流转换速率值。当转子通量比的值被确定为小于另一高阈值时，可确定转子通量比的值是否小于另一低阈值，其可不同于用于产生第一控制信号的低阈值。当转子通量比的值被确定为小于另一低阈值时，电流转换速率可通过第二控制信号被设置为慢电流转换速率值。

在一个实施例中，有限的转矩命令被提供，其被用于基于第一控制信号产生有限的转矩命令输出信号，使得有限的转矩命令输出信号的转换速率被基于第一控制信号调节。基于有限的转矩命令输出信号，DC输入电压、和角旋转速度、初始电流命令可被产生，这些此时可被进一步处理以产生有限的电流命令（例如，有限的电流命令等于初始电流命令，除非初始电流命令超过所允许的最大值，在此情况下有限的电流命令可被限制为最大值）。最终的电流命令此时可被基于第二控制信号和有限的电流命令产生，使得最终的电流命令的转换速率被基于第二控制信号调节。

本申请还提供了如下方案：

方案1. 一种在控制器执行的用于控制异步电机的方法，该方法包括：

确定异步电机的转子通量反馈；以及

基于转子通量反馈产生一个或多个控制信号，这些信号调节用于产生最终电流命令的一个或多个转换速率。

方案2. 如方案1所述的方法，其中控制信号包括第一控制信号，和第二控制信号，其中一个或多个转换速率包括转矩转换速率和电流转换速率，并且其中产生一个或多个控制信号的步骤包括：

产生动态地调节转矩转换速率的第一控制信号；以及

产生动态地调节电流转换速率的第二控制信号，这独立于转矩转换速率，使得转矩和电流转换速率具有不同的值。

方案3. 如方案2所述的方法，其中产生第一控制信号，包括： 

最初通过第一控制信号将转矩转换速率设置为慢转矩转换速率值；

计算转子通量比的值，转子通量比是转子通量反馈与转子通量命令的比；

确定转子通量比的值是否大于高阈值；

当转子通量比的值被确定为大于或等于高阈值时，通过第一控制信号设置转矩转换速率为更快的转矩转换速率值；

当转子通量比的值被确定为小于高阈值时，确定转子通量比的值是否小于低阈值；以及

当转子通量比的值被确定为小于低阈值时，通过第一控制信号将转矩转换速率设置为慢转矩转换速率值。

方案4. 如方案2所述的方法，其中产生第二控制信号，包括： 

最初通过第二控制信号将电流转换速率设置为慢电流转换速率值；

计算转子通量比的值，转子通量比是转子通量反馈与转子通量命令的比；

确定转子通量比的值是否大于另一高阈值；

当转子通量比的值被确定为大于或等于另一高阈值时，通过第二控制信号将电流转换速率设置为更快的电流转换速率值；

当转子通量比的值被确定为小于该另一高阈值时，确定转子通量比的值是否小于另一低阈值；以及

当转子通量比的值被确定为小于该另一低阈值时，通过第二控制信号将电流转换速率设置为慢电流转换速率值。

方案5. 如方案3所述的方法，其中转子通量命令从查询表确定，该查询表将转矩命令值映射到对应的转子通量命令值。

方案6. 如方案5所述的方法，其中转子通量反馈是使用通量传感器测量的。

方案7. 如方案5所述的方法，其中转子通量反馈是使用通量估计器模块估计的。

方案8. 如方案3所述的方法，其中转子通量反馈是d轴转子通量或转子通量反馈的大小。

方案9. 如方案2所述的方法，其中该方法还包括：

处理转矩命令输入信号并输出有限的转矩命令；以及

基于第一控制信号和有限的转矩命令产生有限的转矩命令输出信号，其中有限的转矩命令输出信号的转矩转换速率被基于第一控制信号调节；

产生有限的电流命令；以及

基于第二控制信号和有限的电流命令产生最终的电流命令，其中最终的电流命令的电流转换速率被基于第二控制信号调节。

方案10. 一种用于控制异步电机的系统，包括：

转矩-电流映射模块，其被构造成产生最终的电流命令；以及

控制器，其被构造成基于异步电机的转子通量反馈产生一个或多个控制信号，该信号调节在转矩-电流映射模块处应用的一个或多个转换速率，以产生最终的电流命令。

方案11. 如方案10所述的系统，其中控制信号包括第一控制信号，和第二控制信号，其中一个或多个转换速率包括转矩转换速率和电流转换速率，以及

其中控制器被构造成产生第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号动态地调节转矩转换速率，第二控制信号动态地调节电流转换速率，这独立于转矩转换速率，使得在转矩-电流映射模块处被应用的转矩和电流转换速率具有不同的值。

方案12. 如方案11所述的系统，其中控制器被构造成通过比较转子通量比的值与一个或多个阈值来产生控制信号，其中转子通量比是基于转子通量命令和转子通量反馈计算的。

方案13. 如方案12所述的系统，其中控制器被构造成： 

最初通过第一控制信号将转矩转换速率设置为慢转矩转换速率值；

计算转子通量比的值，转子通量比是转子通量反馈与转子通量命令的比；

确定转子通量比的值是否大于高阈值；

当转子通量比的值被确定为大于或等于高阈值时，通过第一控制信号设置转矩转换速率为更快的转矩转换速率值；

当转子通量比的值被确定为小于该高阈值时，确定转子通量比的值是否小于低阈值；

当转子通量比的值被确定为小于该低阈值时，通过第一控制信号设置转矩转换速率为更慢的转矩转换速率值。

方案14. 如方案12所述的系统，其中控制器被构造成： 

最初通过第二控制信号将电流转换速率设置为慢电流转换速率值；

计算转子通量比的值，转子通量比是转子通量反馈与转子通量命令的比；

确定转子通量比的值是否大于另一高阈值；

当转子通量比的值被确定为大于或等于该另一高阈值时，通过第二控制信号设置电流转换速率为更快的电流转换速率值；

当转子通量比的值被确定为小于该另一高阈值时，确定转子通量比的值是否小于另一低阈值；以及

当转子通量比的值被确定为小于该另一低阈值时，通过第二控制信号设置电流转换速率为更慢的电流转换速率值。

方案15. 如方案12所述的系统，其中转子通量

命令是从查询表确定的，该查询表将转矩命令值映射到

对应的转子通量命令值。

方案16. 如方案15所述的系统，其中转子通量反馈是使用通量传感器测量的，或是使用通量估计器模块估计的。

方案17. 如方案12所述的系统，其中转子通量反馈是d轴转子通量或转子通量反馈的大小。

方案18. 如方案12所述的系统，还包括：

转矩转换速率限制器模块；以及

其中转矩-电流映射模块包括： 电流转换速率限制器模块；以及

其中转子通量比被用于动态地调节下面各项中的至少一个：

第一控制信号，其控制在转矩转换速率限制器模块处被应用的转矩转换速率以调节在转矩转换速率限制器模块处被应用的转矩转换速率，或

第二控制信号，其控制在电流转换速率限制器模块处被应用的电流转换速率以调节在电流转换速率限制器模块处被应用的电流转换速率。

方案19. 如方案18所述的系统，其中转矩-电流映射模块包括：

电流命令计算模块，其被构造成基于输入产生初始电流命令，输入包括： 有限的转矩命令输出信号，DC输入电压，和角旋转速度；

最大电流计算模块，其被构造成基于同步参考框架电流信号产生最大电流输入，其中最大电流输入代表被允许的最大电流值；以及

最大电流限制器模块，其被构造成基于最大电流输入和初始电流命令产生有限的电流命令，并且当初始电流命令超过最大电流输入时，其中最大电流限制器模块限制有限的电流命令的值为最大电流输入的值，并且当初始电流命令小于或等于最大电流输入时，其中有限的电流命令是初始的电流命令，以及

其中电流转换速率限制器模块被构造成基于第二控制信号和有限的电流命令产生最终的电流命令，其中电流转换速率限制器模块被构造成基于第二控制信号动态地调节最终的电流命令的电流转换速率。

方案20. 如方案19所述的系统，其中该系统还包括：

转矩限制器模块，包括：

最大转矩限制器模块，其被构造成输出有限的转矩命令；以及

其中转矩转换速率限制器模块被构造成处理第一控制信号和有限的转矩命令以产生有限的转矩命令输出信号，使得有限的转矩命令输出信号的转矩转换速率被基于第一控制信号调节。

附图说明

此后将结合下面的附图描述本公开的实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件；并且其中

图1是根据所公开实施例中的一些的马达驱动系统的一个示例的框图。

图2A是根据所公开实施例中的一些的转矩-电流映射模块的框图。

图2B是根据所公开的实施例中的一些的一种示例性实施方式的最大转矩计算模块的框图。

图2C是根据所公开的实施例中的一些的一种示例性实施方式的最大电流计算模块的框图。

图3是根据所公开的实施例中的一些的一种示例性实施方式的方法的流程图。

图4是图示了根据所公开的实施例中的一些的作为转子通量比的函数的转换速率的曲线图。

图5是图示根据所公开的实施例中的一些的一种示例性实施方式的模拟的作为时间函数的转矩命令的曲线图。

图6是图示根据所公开的实施例中的一些的一种示例性实施方式的模拟的作为时间函数的感应电机转子通量的曲线图。

图7是图示根据传统系统的作为时间函数的感应电机输出的转矩的曲线图。

图8是图示根据所公开的实施例中的一些的一种示例性实施方式的模拟的作为时间函数的感应电机输出的转矩的曲线图。

具体实施方式

在本文使用时，词语“示例性”表示用作“示例、例子或说明”。下面的具体描述本质上仅仅是示例性的，并非用于限定所公开的实施例、其应用或使用。因此，本文描述的任何“示例性”实施例都不一定被理解为相比其它实施例是优选的或有利的。具体实施方式中描述的所有实施例都是示例性实施例，它们被提供用于使本领域技术人员能够制造或使用所公开的实施例，并且不是用于限制所公开的实施例的范围，该范围由权利要求限定。而且，并不意在受在前面的技术领域、背景技术、发明内容或者后面的具体实施方式中出现的任何明示或暗示的理论的约束。

在具体描述各种实施例的一些之前，应该注意到，实施例主要属于与产生用于控制多相系统的操作的电流命令有关的方法步骤和装置部件的组合。应该意识到，本文中所描述的实施例可使用硬件、软件或他们的组合实施。本文中描述的控制电路可包括被使用模拟和/或数字电路的组合实施的各种部件、模块、电路和其它逻辑，离散或集成的模拟或数字电子电路和它们的组合。在本文中使用时，术语“模块”指的是用于执行任务的设备、电路、电部件、和/或基于软件的部件。在一些实施方式中，本文中描述的控制电路可使用一个或多个专用集成电路（ASIC）、一个或多个微处理器、和/或，当实施这种电路中的控制逻辑的部分或全部时，一个或多个基于数字信号处理器（DSP）电路来实施。应该意识到，本文中描述的实施例可包括一个或多个传统的处理器和独特的所存储的程序指令，该指令控制一个或多个处理器以，联合某些非处理器电路，实施用于产生用来控制多相系统的操作的电流命令的功能中的一些、大多数或全部，如本文中所讨论的。照此，这些功能可被解释为用于产生用来控制多相系统的操作的电流命令的方法的步骤。替换地，一些或全部功能可由状态机器来实施，该状态机器没有存储的程序指令，或者由一个或多个专用集成电路（ASIC）来实施，其中每个功能或某些功能的一些组合被实施为定制逻辑。当然，可以使用两者方法的组合。因此，本文将描述这些功能的方法和装置。另外，预期本领域技术人员，尽管在例如可用时间、当前技术、和经济考虑的启示下可能要付出重大努力和做出许多设计选择，但在本文中所公开的概念和原理的指导下会很容易地通过最少的实验产生这种软件指令和程序和IC。

总览

所公开的实施例关于用于产生用来控制在多相系统中使用的感应电机的操作的电流命令的方法、系统和装置。在一个示例性实施方式中，多相机器可被实施在操作环境中，例如混合动力/电动车辆（HEV）。在将被描述的示例性实施方式中，控制技术和工艺将被描述为应用到混合动力/电动车辆。不过，本领域技术人员应该意识到，相同或相似的技能和工程技术可被用在其它系统的背景下，在该其它系统中可取的是产生用于控制用在多相系统内的感应电机的操作的电流命令。在这方面，本文公开的概念中的任一个通常可被应用到“车辆”，并且在本文中使用时，术语“车辆”广义地指示具有AC机器的非人工运输机构。而且，术语“车辆”不受任何具体的推进技术例如汽油或柴油燃料所限制。更确切地说，车辆可包括混合动力车辆、蓄电池电动车辆、氢车辆、和使用各种其它代替的燃料操作的车辆。

在本文中使用时，术语“交流（AC）机器”通常指的是将电能转换为机械能或反之亦然的设备或装置。AC机器可通常被分类为同步AC机器和异步AC机器。同步AC机器可包括永磁电机（例如，表面安装永磁电机（SMPMM）和内部永磁电机（IPMM））和磁阻电机。相比而言，异步AC机器包感应电机。

虽然AC机器可以是AC马达（例如，用于在其生产输入处将AC电能转换为机械能量或能的装置），但是AC机器不限于是AC马达，而是也可包括用于将在其原动机处的机械能量或能在其输出处转换为电AC能量或能的发电机）。机器中的任一个可以是AC马达或AC发电机。AC马达是由交流电流驱动的电马达。在一些实施方式中，AC马达包括外部静止定子，其具有被供应交流电以产生旋转磁场的线圈；和内部转子，其附接到输出轴，该旋转的磁场给该转子提供扭矩。取决于所用转子的类型，AC马达可被分类为同步的或异步的。

 图1是根据所公开实施例的向量控制马达驱动系统100的一个示例的框图。系统100通过联接到三相AC机器50的三相脉宽调制（PWM）逆变器模块40控制三相AC机器50，使得三相AC机器50通过调节控制三相AC机器50的电流命令能高效地使用提供到三相PWM逆变器模块40的DC输入电压（VDC）10。在一个示例性实施方式中，向量控制马达驱动系统100可被用于控制HEV中的转矩。

在下面对一个特定非限定性实施方式的描述中，三相AC机器50可被具体化为三相异步AC供能马达50，更具体地是三相AC供能感应电机；不过，应该意识到，图示的实施例仅是可应用所公开的实施例的AC机器的类型的一个非限定性示例，并且所公开的实施例可被应用到包括更少或更多相的任何类型的多相异步AC供能机器。

三相AC马达50被通过三个逆变器极联接到三相PWM逆变器模块40并基于从三相PWM逆变器模块40接收的三相正弦电流信号41……43产生机械功率（转矩×速度）。在一些实施方式中，三相AC马达50的转子的角位置52（                                                ）或“轴位置”是使用位置传感器（未示出）测量的，并且在其它的实施方式中，三相AC马达50的转子的角位置52（）可使用无传感器的位置估计技术估计，而不使用位置传感器。

向量控制马达驱动系统100包括转矩-电流映射模块15，同步（SYNC.）框架电流调节器模块20，同步-静止（SYNC.-STAT.）转换模块25，αβ参考框架-abc参考框架（αβ-abc）转换模块30，脉宽调制（PWM）模块35，三相PWM逆变器40，abc参考框架-αβ参考框架（abc-αβ）转换模块60，和静止-同步（STAT.-SYNC.）转换模块65，和控制器70。

转矩-电流映射模块15接收转矩命令输入信号（Te*）8，在框55基于转子/轴的位置输出（）52的导数产生的轴的角旋转速度（ωr）56，和DC输入电压（VDC）10作为输入，以及还可以有各种其它系统参数，这取决于实施方式。转矩-电流映射模块15使用这些输入产生d轴电流命令（Id*）18和q轴电流命令（Iq*）19，这些将使感应电机50在速度（ωr）56上产生所命令的转矩（Te*）。具体地，转矩-电流映射模块15使用输入来将转矩命令输入信号（Te*）8映射到d轴电流命令信号（Id*）18和q轴电流命令信号（Iq*）19。同步参考框架的d轴电流命令信号（Id*）18和q轴电流命令信号（Iq*）19是DC命令，其具有在所命令的转矩（Te*）、角旋转速度（ωr）56和DC输入电压（VDC）10都恒定时的稳态下作为时间函数的恒定值。

如下面将解释的，根据公开实施例的一个实施方式，基于输入51、54，控制器70产生控制信号71、72，其被用于动态地调节转矩和电流转换速率的相应值，这些值将被应用在转矩-电流映射模块15。

abc-αβ转换模块60接收作为从感应电机50的反馈的测量的三相静止参考框架反馈定子电流(Ia…Ic)41-43。abc-αβ转换模块60使用这些三相静止参考框架反馈定子电流41-43来执行abc参考框架到αβ参考框架的转换以将三相静止参考框架反馈定子电流41-43转换为静止参考框架反馈定子电流(Iα、Iβ)63、64。abc-αβ转换是本领域熟知的并且为了简要目的而不具体描述。

静止-同步转换模块65接收静止参考框架反馈定子电流(Iα、Iβ)63、64和转子角位置（）52并产生（例如处理或转变）这些静止参考框架反馈定子电流(Iα、Iβ)63、64以产生同步参考框架d轴电流信号（Id）66和同步参考框架q轴电流信号（Iq）67。静止到同步的转变的过程是本领域熟知的并且为了简要目的而不具体描述。

同步框架电流调节器模块20接收同步参考框架d轴电流信号（Id）66，同步参考框架q轴电流信号（Iq）67，d轴电流命令（Id*）18，和q轴电流命令（Iq*）19，并使用这些信号产生同步参考框架d轴电压命令信号（Vd*）23和同步参考框架q轴电压命令信号（Vq*）24。同步参考框架d轴电压命令信号（Vd*）23和同步参考框架q轴电压命令信号（Vq*）24是DC命令，其具有对于在所命令的转矩（Te*），转子角速度（ωr）56，和DC输入电压（VDC）10恒定时的稳态操作来说作为时间函数的恒定值。电流到电压的转变的过程可被实施为比例-积分（PI）控制器，其是本领域熟知的并且为了简要目的而不具体描述。因为在同步参考框架中电流命令是DC信号（稳态时），所以它们与AC静止参考框架电流命令相比更容易调节。

同步-静止转换模块25接收同步参考框架d轴电压命令信号（Vd*）23和同步参考框架q轴电压命令信号（Vq*）24以及转子位置输出（）52作为输入，并执行dq-αβ转换以产生α轴静止参考框架电压命令信号（Vα*）27和β轴静止参考框架电压命令信号（Vβ*）28。α轴静止参考框架电压命令信号（Vα*）27和β轴静止参考框架电压命令信号（Vβ*）28位于静止参考框架中并且因此具有根据时间以正弦波变化的值。同步-静止转变的过程是本领域熟知的并且为了简要目的不具体描述。

αβ-abc转换模块30接收α轴静止参考框架电压命令信号（Vα*）27和β轴静止参考框架电压命令信号（Vβ*）28，并基于这些信号，产生静止参考框架电压命令信号(Vas*…Vcs*)31、32、33（也称为“相电压命令信号”），其被发送给PWM模块35。αβ-abc转换是本领域熟知的并且为了简要目的而不具体描述。

三相PWM逆变器模块40被联接到PWM模块35。PWM模块35被用于控制相电压命令信号(Vas*…Vcs*)31、32、33的PWM。切换向量信号(Sa...Sc)36、37、38是基于占空比波形产生的，该波形未在图1中示出，但是相反，是在PWM模块35内部生成的以具有在每个PWM周期期间的特定占空比。PWM模块35基于占空比波形（未在图1中示出）改变相电压命令信号(Vas*…Vcs*)31、32、33以产生切换向量信号(Sa…Sc)36、37、38，其将切换向量信号(Sa…Sc)36、37、38提供到三相PWM逆变器模块40。在PWM模块35中实施的特定调制算法可以是任何已知的调制算法，包括空间向量脉宽调制（SVPWM）技术以控制脉宽调制（PWM）从而建立交流（AC）波形，该波形基于DC输入10以变化的速度驱动三相AC供能电机50。

切换向量信号(Sa…Sc)36、37、38控制三相PWM逆变器40中开关的切换状态以产生在每一相A、B、C的三相电压命令。切换向量信号(Sa…Sc)36、37、38是PWM波形，其具有在每个PWM周期期间的特定占空比，该PWM周期由占空比波形决定，该占空比波形在PWM模块35内部产生。

三相PWM逆变器模块40接收DC输入电压（VDC）和切换向量信号(Sa…Sc)36、37、38，并且使用它们来在逆变器极产生三相交流（AC）电压信号波形，该波形以变化速度（ωr）56驱动三相AC机器50。

三相机器50接收由PWM逆变器40产生的三相电压信号并产生命令扭矩（Te*）8大小的马达输出。

虽然未在图1中示出，系统100也可包括联接到三相AC机器50的轴并由其驱动的齿轮。测量反馈定子电流(Ia-Ic)41-43被感测、采样并提供到如前所述的abc-αβ转换模块60。

根据公开的实施例，提供了用于产生用于控制异步电机例如感应电机的转矩命令和/或电流命令的方法、系统和装置，该异步电机能提供快速转矩响应同时实现可接受的效率水平。

如下面将解释的，快速转矩响应可通过基于转子通量（例如测量的或估计的转子通量）动态地改变一个或多个转换速率以动态地调节转矩命令和/或电流命令的改变速率来实现。在一种实施方式中，通量估计器可被用于监测转子通量。当转子通量反馈高于预定值时，并且转矩命令和/或电流命令的转换速率可被设置为相对高值时，以及当转子通量反馈降到低于阈值时，转矩命令和/或电流命令的转换速率可被重设为相对低值。这允许转矩命令和/或电流命令的转换速率被基于转子通量调节以实现改善的转矩控制（例如，更快的转矩响应）。

例如，动态地调节转矩命令和/或电流命令的转换速率（使得它们被设置为最快的值）可能够在快速转矩响应是可取的的情况下实现合适的转矩响应，但不影响其它控制性能参数，例如转矩/电流响应中的瞬间状态振荡。

图2A是根据公开的实施例的一些的一个示例性实施方式的转矩限制器模块14和转矩-电流映射模块15的框图。

转矩限制器模块14包括最大转矩限制器模块142和转矩转换速率限制器模块146。转矩-电流映射模块15包括电流命令计算模块154，最大电流限制器模块158，和电流转换速率限制器模块162。

最大转矩限制器模块142接收转矩命令输入信号（Te*）8，和最大转矩计算模块140（其可被实施在高水平控制器（未示出）处）的最大转矩输入141，并且处理这些输入以产生有限的转矩命令144，该命令被提供给转矩转换速率限制器模块146。最大转矩输入141代表在下面将参照图2B描述的一个实施例中被允许的，且可产生的最大转矩。

在一个实施例中，最大转矩限制器模块142选择转矩命令输入信号（Te*）8和最大转矩输入141中的具有较低绝对值的一个并将其作为有限的转矩命令144输出。为了进一步解释，在一个实施例中，最大转矩限制器模块142限制转矩命令输入信号（Te*）8到最大值，使得转矩命令输入信号（Te*）8被限制到（或被封顶在）被限制到最大转矩输入141的值。如此，当转矩命令输入信号（Te*）8超过最大值（由最大转矩输入141规定）时，转矩命令输入信号（Te*）8被限制到最大转矩输入141的值。相比而言，当转矩命令输入信号（Te*）8小于或等于最大值（由最大转矩输入141规定）时，转矩命令输入信号（Te*）8由最大转矩限制器模块142作为有限的转矩命令144输出。

如下面将解释的，根据公开的实施例，控制器70产生控制信号71、72，它们动态地调节被应用在转矩转换速率限制器模块146和/或电流转换速率限制器模块162的相应的转换速率。在这个实施例中，控制器70产生的控制信号71、72依赖于转子通量比与阈值相比的值。转子通量比是基于转子通量命令51和感应电机50的转子通量反馈54计算的。

在一个实施例中，转子通量命令51从查询表确定，该查询表将转矩命令值映射到转子通量命令值。为了进一步解释，由无限数量的转子通量命令能实现转矩命令的一个值（例如，转子通量命令的不同值将引起电流的不同大小）。仅有一个转子通量命令值能够实现最高系统（马达/逆变器）效率。在一个实施例中，查询表可使用对于每个转矩命令值实现最高系统效率的转子通量命令值来产生。

感应电机50的转子通量反馈54可以是测量值或估计值，这取决于实施方式。在一个实施方式中，转子通量反馈54可以是是任何已知的通量传感器测量的，并且在另一实施方式中，转子通量反馈54可使用通量估计器模块估计，该模块实施任何已知的估计转子通量的技艺和工程技术。通量估计器模块的一个示例在Jansen, P. L., & Lorenz, R. D. (1994)中被公开。用于场导向感应电机驱动器的通量观测器的设计和准确性评估的物理洞察方法（Physically Insightful Approach To The Design And Accuracy Assessment Of Flux Observers For Field Oriented Induction Machine Drives）。IEEE工业应用会报，30(1)，101-110。在一个实施例中，转子通量反馈54可以是d轴转子通量。在另一实施例中，转子通量反馈54可以是转子通量的大小。如下面将解释的，根据公开的实施例，转子通量反馈54与转子通量命令51一起使用以计算转子通量比（RFR），该转子通量比此后可被用于动态地（或自动地）改变一个或多个转换速率，这些转换速率被应用到转矩转换速率限制器模块146和/或电流转换速率限制器模块162。

转矩转换速率限制器模块146接收控制信号71和有限的转矩命令144并处理这些输入以产生有限的转矩命令输入信号（Te*'）8'。如下面将描述的，在一个实施例中，转矩转换速率限制器模块146响应于控制信号71动态地调节有限的转矩命令144的转换速率。

电流命令计算模块154接收有限的转矩命令输入信号（Te*'）8'，DC输入电压（VDC）10，和角旋转速度（ωr）56，并处理这些输入以产生初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157，初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157被提供给最大电流限制器模块158。电流命令计算模块154可以是能够基于有限的转矩命令输入信号（Te*'）8'产生初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157的任何已知模块。为了进一步解释，在一个实施例中，电流命令计算模块154可使用一组查询表实施，该组查询表接收有限的转矩命令输入信号（Te*'）8'，DC输入电压（VDC）10，和角旋转速度（ωr）56作为输入，并将这些输入映射到初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157。

最大电流输入151可从最大电流计算模块150被提供，最大电流计算模块150可被实施在例如高水平控制器（未示出）。最大电流输入151代表被允许从逆变器流到电机的最大允许电流。在一个实施例中，最大电流输入151可基于测量逆变器温度（T_I）46和测量电机温度（T_M）58产生。在一个特定实施例中，最大电流输入151可被选择为逆变器电流极限264，和电机电流极限274中的最小值。下面将参照图2C描述最大电流计算模块150的一个实施方式。

最大电流限制器模块158接收最大电流输入151以及初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157，并处理这些输入以产生有限的d轴电流命令160和有限的q轴电流命令161，有限的d轴电流命令160和有限的q轴电流命令161被提供给电流转换速率限制器模块162。取决于实施方式，最大电流输入151可以是两个单独的d轴和q轴最大电流输入信号，或可以是单个最大电流输入信号。

为了进一步解释，在一个实施例中，当最大电流输入151是两个单独的d轴和q轴最大电流输入信号时，最大电流限制器模块158将初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157限制为最大值，使得它们被限制为（或封顶在）由它们的对应的d轴和q轴最大电流输入信号151规定的值。在一个实施例中，最大电流限制器模块158选择初始d轴电流命令156，初始q轴电流命令157和最大电流输入151中具有较低绝对值的那个，并将选择的信号输出作为有限的d轴电流命令160和有限的q轴电流命令161。最大电流限制器模块158选择初始d轴电流命令156和最大电流输入信号151的d轴分量中的最小值。不过，因为初始q轴电流命令157可以是正的或负的，所以最大电流限制器模块158选择初始q轴电流命令157和最大电流输入信号151的q轴分量之间最小绝对值。以这种方式，最大电流限制器模块158将初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157限制为它们对应的d轴和q轴最大电流输入信号151的最大值，如果任一个都超过它们对应的d轴和q轴最大电流输入信号151。如此，当初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157中的任一个超过最大值（由它们对应的d轴和q轴最大电流输入信号151规定）时，初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157被限制为它们对应的d轴和q轴最大电流输入信号151的值。相比而言，当初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157小于或等于最大值（由它们对应的d轴和q轴最大电流输入信号151规定）时，初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157被最大电流限制器模块158输出（不改变）作为有限的d轴电流命令160和有限的q轴电流命令161。

相比而言，在另一实施例中，当最大电流输入151是单个最大电流输入信号并且命令156、157需要被限制时，最大电流限制器模块158能计算初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157的大小，然后计算最大电流输入151与该大小的比，并且然后单独地将初始d轴电流命令156和初始q轴电流命令157中每一个乘以该比以产生有限的d轴电流命令160，有限的q轴电流命令161。这种方式，初始d轴电流命令156，初始q轴电流命令157被限制为（或封顶在）由单个最大电流输入151规定的值。替换地，在又一实施例中，最大电流限制器模块158可将有限的d轴电流命令160设置为等于初始d轴电流命令156，并且然后计算有限的q轴电流命令161为等于下式的平方根：

（最大电流输入151²-初始d轴电流命令156²）。

 电流转换速率限制器模块162接收控制信号72和有限的电流命令160，161，并处理这些输入以产生d轴电流命令（Id*）18和q轴电流命令（Iq*）19，d轴电流命令（Id*）18和q轴电流命令（Iq*）19被提供给20并且此后被如上所述地处理。如下面将参照图3描述的，在一个实施例中，电流转换速率限制器模块162响应于控制信号72动态地调节有限的电流命令160、161的转换速率。

图2B是根据所公开的实施例中的一些的一种示例性实施方式的最大转矩计算模块140的框图。最大转矩计算模块140包括一组二维查询表212，两组一维查询表222、232，和可被用于产生最大转矩输入141的模块242、252。该组二维查询表212被用于响应于DC输入电压（VDC）10和角旋转速度（ωr）56的值来产生输出214，DC输入电压（VDC）10和角旋转速度（ωr）56是该组二维查询表212的输入。尽管未在图1中示出，温度传感器可被设置在逆变器模块40和电机50内和/或周围，并被用于测量那些模块的温度，以产生测量逆变器温度（T_I）46和测量电机温度（T_M）58。如在图2B中所示，测量逆变器温度（T_I）46可以是一维查询表222的输入，其输出降额比224，而测量电机温度（T_M）58可以是另一一维查询表232的输入，其输出另一降额比234。模块242选择并输出两个降额比224，234之间的最小值244。最小值244在模块252被乘以从二维查询表212的输出214的值，以产生最大转矩输入141。

图2C是根据公开的实施例中一些的一个示例性实施方式的最大电流计算模块150的框图。最大电流计算模块150包括两组一维查询表262、272，和能被用于产生最大电流输入151的模块252。如在图2C中所示，测量逆变器温度（T_I）46可以是一维查询表262的输入，其输出逆变器电流极限264，而测量电机温度（T_M）58可以是另一一维查询表272的输入，其输出电机电流极限274。模块282选择并输出逆变器电流极限264，和电机电流极限274之间的最小值，其是最大电流输入151。

图3是根据所公开的实施例中的一些的一种示例性实施方式的用于设置转换速率的转换速率控制方法300的流程图。方法300将被参照图2A描述。取决于实施方式，方法300可被用于动态地调节转换速率，转换速率被应用到图2A的电流转换速率限制器模块146和/或电流转换速率限制器模块162。在一个实施例中，转矩和电流转换速率具有不同的值，并且因此在图3中示出的方法300的单独的例子可被执行以动态地调节转矩和电流转换速率。如此，尽管图3将被参照一个非限制性实施方式被描述其中方法300被仅用于通过控制信号71动态地改变或调节转矩转换速率，但是应指出，在一些其它的实施例中，方法300的另一例子可被并行地运行以通过控制信号72动态地改变或调节电流转换速率，使得控制器70彼此独立地通过控制信号71、72调节转矩和电流转换速率。

当控制器70确定（例如，基于参数值）转换速率控制要被应用时，方法300在310开始，并且控制器70通过控制信号71最初将转矩转换速率设置为其慢转换速率值。同样，在一个实施例中，控制器70也能最初通过控制信号72将电流转换速率设置为其慢转换速率值。在任一情况中，慢转换速率可被确定（例如，通过经验测试或模拟），使得当转子通量不足时，转矩/电流响应不表现出显著的过冲和/或振荡。

在320，控制器70计算转子通量反馈54与转子通量命令51的转子通量比，并且在325，控制器70确定转子通量比是否大于或等于高阈值。高阈值将取决于实施方式基于诸如具体的逆变器40的特征、具体的电机50的特征，和其它控制参数的因素而变化。高阈值可通过经验测试或模拟确定，该测试或模拟考虑了具体的逆变器40的特征，具体的电机50的特征，和其它控制参数。

当控制器70确定转子通量比大于（或等于）高阈值时，方法300前进到340，在那里控制器70通过控制信号71将转矩转换速率设置为其更快转换速率值（使得响应时间可被改善）。同样，在一个实施例中，控制器70也能通过控制信号72将电流转换速率设置为其更快转换速率值。在转矩和/或电流转换速率被调节到它们各自的更快转换速率值时，方法300此时在350结束。在任一情况下，更快转换速率可被确定（例如，通过经验测试或模拟），从而在转子通量足够时，转矩/电流响应不会展示出显著的过冲和/或振荡。

当控制器70确定转子通量比不大于（或等于）高阈值时，方法300前进到330，在那里控制器70确定转子通量比是否小于低阈值。类似于高阈值，低阈值将取决于实施方式基于诸如具体的逆变器40的特征、具体的电机50的特征，和其它控制参数的因素而变化。低阈值可通过经验测试或模拟确定，该测试或模拟考虑了具体的逆变器40的特征，具体的电机50的特征，和其它控制参数。

当控制器70确定转子通量比小于低阈值时，方法300前进到335，在那里控制器70通过控制信号71将转矩转换速率重置为其慢转换速率值。同样地，在一个实施例中，控制器70也可通过控制信号72将电流转换速率重置为其慢转换速率值。在转矩和/或电流转换速率被调节到它们各自的慢转换速率值后，方法300在350结束。

当控制器70确定转子通量比不小于低阈值时，方法300在350结束。

因此，当转子通量反馈高于预定值时，并且转矩命令（和/或电流命令）的转换速率可被设置为相对高值，以及当转子通量反馈降到低于阈值时，转矩命令（和/或电流命令）的转换速率可被重设为相对低值。这允许转矩命令（和/或电流命令）的转换速率被基于转子通量调节以实现改善的转矩控制（例如，在期望快速转矩响应的情景下更快的转矩响应，而不影响其它控制参数的性能，例如在转矩/电流响应中的瞬间状态振荡）。

图4是图示了根据所公开的实施例中的一些的作为转子通量比（x轴）的函数的转换速率的动态调节（y轴）的曲线图。在图4中图示的转换速率可代表通过图2A的控制信号71、72被应用的转矩或电流转换速率。

具体地，图4图示了较低阈值402，较高阈值404，慢转换速率值412，和快转换速率值414。点420、430、440、450代表转换速率基于转子通量比改变的位置。例如，在图4中的440、450之间的箭头代表转换速率在转子通量比在较低阈值402和较高阈值404之间时被维持在快转换速率值414。类似地，图4中的420、430之间的箭头代表转换速率在转换速率比在较低阈值402和较高阈值404之间时被维持在慢转换速率值412。相比而言，图4中430、440之间的箭头代表在转子通量比大于或等于较高阈值404时，转换速率从慢转换速率值412和快转换速率值414的动态调节。而且，图4中450、420之间的箭头代表在转子通量比小于或等于较低阈值402时，转换速率从快转换速率值414和慢转换速率值412的动态调节。

图5是图示了根据一个示例性模拟的作为时间（秒）函数的转矩命令（Nm）的曲线图510，并且图6是图示了根据一个示例性模拟的作为时间（秒）函数的感应电机的转子通量（韦伯（Wb））的曲线图610。

图7是对应图5、6的曲线图710， 并且图示根据传统系统的作为时间（秒）函数的感应电机的转矩输出（Nm）。

相比而言，图8是也对应图5、6的曲线图810， 并且图示当实施公开实施例中的一个示例性实施方式时的作为时间（秒）函数的感应电机的转矩输出（Nm）。

图7与图8的比较清楚地说明了感应电机的转矩输出（Nm）810（其被根据公开实施例的实施方式控制）具有改善的过渡时间或更快的响应。

因此，通过基于转子通量反馈（例如，测量的或估计的转矩）动态地改变用于产生转矩命令和/或电流命令的一个或多个转换速率，转矩命令和/或电流命令的变化速率可被动态地调节，使得可实现快速转矩响应。

本领域技术人员还将意识到结合本文中公开的实施例被描述的各种说明性逻辑块、模块、电路、和算法步骤可被实施为电子硬件、计算机软件、或它们两者的组合。上面在功能和/或逻辑块部件（或模块）和各种处理步骤方面描述了实施例和实施方式中的一些。但是，应该意识到这些块部件（或模块）可以任何数量的构造成执行具体说明的功能的硬件、软件和/或固件部件实现。

为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，上面基本上都是在功能方面对各种说明性部件、块、模块、电路和步骤进行描述。这种功能是否被实施为硬件或软件取决于加在整体系统上的特定的应用和设计约束。本领域技术人员可针对每个特定应用以各种方式实施所描述的功能，但是这种实施决定不应该被解释为导致脱离公开实施例的范围。例如，系统或部件的一个实施例可采用各种集成电路部件，例如内存元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查询表等，这可在一个或多个微处理器或其它控制设备的控制下执行多种功能。另外，本领域技术人员将意识到这里描述的实施例仅仅是示例性的实施方式。

结合本文公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路可利用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程的逻辑设备、分离的门或晶体管逻辑、分离的硬件部件、或它们的设计成执行本文描述的功能的任意组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但是作为另一选择，该处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可被实施为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP芯联合的一个或多个微处理器、或者任何其它的此类构造。

结合本文公开的实施例描述的方法或算法的步骤可被直接具体化在硬件、有处理器执行的软件模块或这两者的组合中。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或本领域已知的任何其它形式的存储介质中。示例性的存储介质被联接到处理器，使得该处理器可从该存储介质读取信息并将信息写入该存储介质。替代地，存储介质可集成到该处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。替代地，处理器和存储介质可作为离散部件驻留在用户终端中。

在本文中，关系术语例如第一和第二等可被单独使用以区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示在这些实体或动作之间有任何实际的这种关系或顺序。数字序数例如“第一”、“第二”、“第三”等仅指示多个中的不同的单个而不暗示任何的顺序或次序，除非由权利要求语言明确定义。任何权利要求的文字中的次序都不暗示必须根据这种次序以暂时的或逻辑的顺序执行过程步骤，除非在权利要求的语言中另有明确限定。过程步骤可以任意顺序互换而不脱离公开实施例的范围，只要这种互换不与权利要求的语言矛盾并且不是逻辑上无意义的。

而且，取决于上下文，用于描述不同元件之间关系的词语例如“连接”或“联接到”不暗示在这些元件之间必须进行直接物理连接。例如，两个元件可物理地、电子地、逻辑地或以任何其它方式，通过一个或多个额外的元件彼此连接。

虽然已经在前面的具体描述中给出了至少一个示例性实施例，但应当意识到存在大量的变型。还应意识到，一个或多个示例性实施例仅为示例，并且决不是用来限制本公开的范围、应用性、或构造。更确切地说，前面的具体描述将给本领域技术人员提供用于实施一个或多个示例性实施例的方便的路线图。应该理解的是，可在元件的功能和布置方式方面进行各种改变，而不脱离在所附权利要求及其法律等同方式中公开的本公开的范围。