用于确定参考D轴电流和Q轴电流的电动机控制系统

摘要

提供一种用于确定参考D轴电流和Q轴电流的电动机控制系统。电动机控制系统包括电动机、直流电源和直流输入线路以及电流命令控制器。直流电源产生跨直流输入线路的电桥电压。电流命令控制器被配置以监控电桥电压和转矩参考命令。电流命令控制器被配置以基于转矩参考命令来计算参考Q轴电流。电流命令控制器被配置以基于参考Q轴电流的数值来计算参考D轴电流。

说明书

技术领域

本发明涉及用于电动机的控制系统，并且更具体来说，涉及用于确定参考d轴电流和参考q轴电流的电动机控制系统。

背景技术

内置式永磁同步电动机（IPMSM）的输出转矩可以通过电压命令和相位超前角来确定。IPMSM的具体输出转矩通过首先选择具体的正交轴（也称为q轴）参考电流和直轴（也称为d轴）参考电流并且随后基于选定的正交轴参考电流和直轴参考电流来确定电压命令和相位超前角来确定。

发明内容

在一个实施例中，提供用于确定参考d轴电流和参考q轴电流的电动机控制系统。电动机控制系统包括具有测出的电动机速度的电动机、直流电源和直流输入线路以及电流命令控制器。直流电源产生跨直流输入线路的电桥电压。电流命令控制器与电动机和直流输入线路通信。电流命令控制器被配置以监控电桥电压和转矩参考命令。电流命令控制器被配置以基于转矩参考命令来计算参考q轴电流。电流命令控制器被配置以基于参考q轴电流的数值来计算参考d轴电流。

在另一个实施例中，提供一种用于确定参考d轴电流和参考q轴电流的方法。该方法包括监控发送给电流命令控制器的电桥电压和转矩参考命令。该方法还包括基于转矩参考命令来计算参考q轴电流。该方法还包括如果参考q轴电流的数值小于或等于预定参考q轴电流值并且如果电压命令值的数值小于电桥电压，则基于第一工作区域来计算参考d轴电流。

这些和其他优点以及特征将从结合附图的以下描述变得更加显而易见。

附图说明

在说明书结尾的权利要求书中特别指出并且清楚地要求保护本发明的主题。本发明的以上和其他特征以及优点从结合附图的以下详细描述变得显而易见，附图中：

图1是根据本发明的一个示例性实施例的电动机控制系统的方框图；以及

图2是根据本发明的另一个示例性实施例的用于确定参考d轴电流和参考q轴电流的过程流程图。

具体实施方式

现在参照附图，其中将参照具体实施例来描述本发明而不限制本发明，图1是电动机控制系统10的示例性方框图。电动机控制系统10包括电流命令控制器20、d轴比例积分增益（PI）控制器22、q轴PI控制器23、极性转换控制器24、脉宽调制（PWM）逆变控制器26、逆变器28、直流电源30、电动机32、位置传感器34、速度传感器36、变换控制器38、a轴电流放大器40、b轴电流放大器42、a轴模数转换器（ADC）44以及b轴ADC 46。在一个实施例中，电动机42可以是内置式永磁同步电动机（IPMSM），然而，应理解，可以同样使用任何类型的使用相电流来控制的电动机。

在如图1所示的实施例中，逆变器28连接到直流电源30，其中直流电源30可以例如是电池。直流电源30可以通过直流输入线路49连接到逆变器28。换能器51可以用来监控跨直流输入线路49的电桥电压V_ecu。表示电桥电压V_ecu的控制信号53可以被发送到电流命令控制器20和PWM逆变控制器26。在如图所示的示例性实施例中，逆变器26通过用于电动机32的工作和控制的线路50、线路52和线路54将三个交流（AC）相电流传（例如，i_a、i_b和i_c）输到电动机32。

为了反馈控制的目的，可以检测通过线路50和52传输到电动机32的相电流i_a和i_b以确定到电动机32的瞬时电流流量。具体来说，换能器56可以用来监控线路50上的相电流i_a，并且换能器58可以用来监控线路52上的相电流i_b。应注意，尽管示出换能器56和换能器58，但是仅可以监控线路50或52中的一个来测量相电流i_a或相电流i_b。表示测量出的相电流i_a的控制信号60可以从换能器56发送到a轴电流放大器40，并且表示测量出的相电流i_b的控制信号62可以从换能器58发送到b轴电流放大器42。随后，相电流i_a的倍增或放大值从a轴电流放大器40发送到a轴ADC 44并且相电流i_b的放大值从b轴电流放大器42发送到b轴ADC 46。a轴ADC 44将相电流i_a的放大值转换成数字值64。数字值64表示相电流i_a的数值。b轴ADC 46将相电流i_b的放大值转换成数字值66。数字值66表示相电流i_b的数值。

变换控制器38从ADC 44接收数字值64并且从ADC 46接收数字值66作为输入。在一个实施例中，变换控制器38是三相至两相变换控制器，其中交流电流的测量出的值（例如，表示相电流i_a的数字值64和表示相电流i_b的数字值66）被转换成相等的测量出的直流电流分量，这些直流电流分量是测量出的d轴电流I_dMEASURED和测量出的q轴电流I_qMEASURED。测量出的d轴电流I_dMEASURED被发送到减法器70并且测量出的q轴电流I_qMEASURED被发送到减法器72。

电流命令控制器20从换能器51接收转矩参考命令T_e、角速度ω_m以及表示电桥电压V_ecu的控制信号53作为输入。转矩参考命令T_e表示命令的转矩值，并且可以从另一个控制器（未示出）获得或者可以对应于操作者所产生的转矩值。角速度ω_m由速度传感器36测量。速度传感器36可以包括例如编码器和用于基于编码器所接收到的信号来计算电动机32的转子（未示出）的角速度的速度计算电路。电流命令控制器20基于转矩命令T_e、电桥电压V_ecu以及角速度ω_m来计算参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}，以下进行描述。参考d轴电流I_{d_REF}被发送到减法器70，并且参考q轴电流I_{q_REF}被发送到减法器72。

减法器70接收测量出的d轴电流I_dMEASURED和参考d轴电流I_{d_REF}。减法器70基于测量出的d轴电流I_dMEASURED和参考d轴电流I_{d_REF}确定d轴误差信号74。d轴误差信号74表示测量出的d轴电流I_dMEASURED与参考d轴电流I_{d_REF}之间的误差。减法器72接收测量出的q轴电流I_qMEASURED和参考q轴电流I_{q_REF}。减法器72基于测量出的q轴电流I_qMEASURED和参考q轴电流I_{q_REF}确定q轴误差信号76。q轴误差信号76表示测量出的q轴电流I_qMEASURED与参考q轴电流I_{q_REF}之间的误差。

d轴PI控制器22从减法器70接收d轴误差信号74作为输入。d轴PI控制器22计算d轴电压信号V_D。d轴电压信号V_D是基于d轴比例增益K_P和d轴积分增益K_i。同样，q轴PI控制器23从减法器72接收q轴误差信号76作为输入。q轴PI控制器23计算q轴电压信号V_Q。q轴电压信号V_Q是基于q轴比例增益K_P和q轴积分增益K_i。

极性转换控制器24从d轴PI控制器22接收d轴电压信号V_D并且从q轴PI控制器23接收q轴电压信号V_Q作为输入。基于这些输入，极性转换控制器24确定电压命令V_cmd和相位超前角δ。PWM逆变控制器26从极性转换控制器24接收电压命令V_cmd和相位超前角δ作为输入。PWM逆变控制器26还接收由电动机位置传感器34测量出的转子角度值θ_r。在一个示例性实施例中，PWM逆变控制器26可以包括过调制空间矢量PWM单元来产生三个相应的占空比值D_a、D_b和D_c。占空比值D_a、D_b和D_c用来驱动逆变器28的门驱动电路（未示出），所述门驱动电路激励电动机32的相位。

现在将描述由电流命令控制器20确定参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}。电流命令控制器20周期性地基于转矩参考命令T_e、电桥电压V_ecu以及角速度ω_m来确定参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}。具体来说，电流命令控制器20根据第一工作区域RI、第二工作区域RII或第三工作区域RIII来确定参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}，以下进行描述。

电流命令控制器20首先确定参考q轴电流I_{q_REF}。在一个实施例中，参考q轴电流I_{q_REF}是基于转矩命令T_e，可以通过公式1来确定：

                    公式1

其中Ke是电动机常数。电流命令控制器20随后可以将如公式1中计算出的参考q轴电流I_{q_REF}的数值与预定参考q轴电流I_{q_REF_MAX}进行比较。预定参考q轴电流I_{q_REF_MAX}表示用于产生由电动机32输出的最大转矩的q轴电流，并且可以通过公式2来确定：

I_{q_REF_MAX} = I_{REF_MAX} * cos(α_MAX)                    公式2

其中I_{REF_MAX}表示用于产生由电动机32输出的最大转矩所需的相电流，并且α_MAX表示产生由电动机32输出的最大转矩所需的d轴电流与q轴电流之间的值。如果参考q轴电流I_{q_REF}的数值小于或等于预定参考q轴电流I_{q_REF_MAX}，则参考d轴电流I_{d_REF}是基于第一工作区域RI中的平滑函数，以下进行描述。然而，如果参考q轴电流I_{q_REF}的数值大于预定参考q轴电流I_{q_REF_MAX}，则d轴电流I_{d_REF}由第二工作区域RII确定，并且被设定为参考d轴最大电流I_{d_REF_MAX}（以下进行描述）或者基于平滑函数来确定。

平滑函数用来确定用于平滑电动机32的各个转矩速度工作点之间的过渡的参考d轴电流I_{d_REF}。在一个实施例中，电流命令控制器20可以首先使用公式3和4通过平滑函数来计算参考d轴电流I_{d_REF}：

I_{d_REF} = K1 * (abs(ω_m ) + k_K2 * abs(Te) – k_K₃)                    公式3

K1 = k_a2 *(T_e)² + k_a1*(T_e) + k_a0                    公式4

其中k_a0、k_a1、k_a2、k_K1以及k_K2是从电动机32的参数获得的常数。一旦计算出参考d轴电流I_{d_REF}，则可以使用以下算法来确定参考d轴电流I_{d_REF}：

如果 Id_REF < 0, 那么 Id_REF = 0

否则如果 Id_REF > Id_REF_MAX, 那么 Id_REF = Id_REF_MAX

其中I_{d_REF_MAX}由公式5确定为：

I_{d_REF_MAX} = I_{REF_MAX} * sin(α_MAX)                    公式5

其中如果如由公式3-4确定的参考d轴电流I_{d_REF}小于零，则将参考d轴电流I_{d_REF}设定为零，然而，如果参考d轴电流I_{d_REF}大于参考d轴最大电流I_{d_REF_MAX}，则将参考d轴电流I_{d_REF}设定为如由公式5确定的参考d轴最大电流I_{d_REF_MAX}。

在第一工作区域RI中，参考d轴电流I_{d_REF}是如由平滑函数确定的参考d轴最大电流I_{d_REF_MAX}，或者被设定为零。另外，在第一工作区域RI中，如果参考d轴电流I_{d_REF}是非零值，则电流命令控制器20通过公式6确定参考q轴电流I_{q_REF}：

I_{q_REF} = (T_e/(sqrt(3)/2* Ke*I_{q_REF_MAX}+ k_P /2*3/2*I_{d_REF_MAX}* (L_q - L_d))                    公式6

其中k_P是电动机32的电极数量，L_q是q轴电感，并且L_d是d轴电感。

在第二工作区域RII中，参考d轴电流I_{d_REF}由以下公式7确定或者由平滑函数确定。公式7确定参考d轴电流I_{d_REF}：

I_{d_REF} = (T_e-sqrt(3)/2* Ke*I_{q_REF_MAX})/( k_P /2*3/2*I_{qREF_MAX}*(L_q-L_d))                    公式7

具体来说，电流命令控制器20选择如由公式7确定的参考d轴电流I_{d_REF}与如由平滑函数确定的参考d轴电流I_{d_REF}之间的最大值，并且将参考d轴电流I_{d_REF}设定为该最大值。另外，在第二工作区域RII中，电流命令控制器20通过如上所述的公式6确定参考q轴电流I_{q_REF}。

电流命令控制器20确定电压命令V_cmd。在一个实施例中，电压命令V_cmd由公式8-12确定：

V_QFF = R * I_{q_REF} * * Ke *ω_m -2 *X_d * I_{d_REF}                    公式8

V_DFF = R * I_{d_REF} + 2 *X_q * I_{q_REF}                    公式9

X_q = (k_P/2)* ω_m * L_q                    公式10

X_d = (k_P/2)* ω_m * L_d                    公式11

V_cmd=           公式12

其中V_QFF是前馈q轴电压，V_DFF是前馈d轴电压，R是电动机32的每相位电阻，X_d是d轴电抗，并且X_q是q轴电抗。

一旦确定了电压命令V_cmd，则电流命令控制器20将电压命令V_cmd的数值与电桥电压V_ecu进行比较，并且确定参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}是否由第三工作区域RIII而非第一工作区域RI或第二工作区域RII确定。具体来说，参照以下表1，如果电压命令V_cmd的数值大于或等于电桥电压V_ecu，则选择第三工作区域RIII。  

 区域一RI区域二RII区域三RIII条件abs(I_{q_REF}>< I_{q_REF}__MAX并且abs(V_cmd)<>ecuabs(I_{q_REF}>q_REF__MAX并且abs(V_cmd)<>ecuabs(V_cmd)>>>ecuI_{d_REF}I_{d_REF}>d_REF_MAXI_{d_REF}由平滑函数或公式7（产生最大值的任何方法）确定I_{d_REF}由目标电压循环计算器或平滑函数（产生最大值的任何方法）确定I_{q_REF}如果I_{d_REF}>q_REF由公式1确定，如果I_{d_REF}是基于平滑函数则I_{q_REF}由公式6确定I_{q_REF}由公式6确定I_{q_REF}由公式1或公式6（产生最大值的任何方法）确定或者使用由目标电压循环计算器确定的I_{d_REF}由目标电压循环计算器确定

表1。

根据表1，如果参考q轴电流I_{q_REF}的数值小于或等于预定参考q轴电流I_{q_REF_MAX}，并且如果电压命令V_cmd的数值小于电桥电压V_ecu，则选择第一工作区域RI。如果参考q轴电流I_{q_REF}的数值大于预定参考q轴电流I_{q_REF_MAX}，并且如果电压命令V_cmd的数值小于电桥电压V_ecu，则选择第二工作区域RII。

如果选择第三工作区域RIII，则可以使用如上所述的平滑函数或目标电压循环计算来确定参考d轴电流I_{d_REF}。具体来说，电流命令控制器20通过首先确定公式13-17基于目标电压循环方法来确定参考d轴电流I_{d_REF}：

Z_{q_sqr} = R² + X_q²                    公式13

Z_{d_sqr} = R² + X_d²                    公式14

B_Dax = I_{q_REF} *R *( X_q – X_d)- 2* Ke/* ω_m * X_d                    公式15

C_Dax = I_{q_REF}² * Z_{q_sqr} + Ke/* ω_m * R * I_qref + (Ke/* ω_m)²-V_ecu²/3                    公式16

S_Dax = B_Dax²-4* Z_{d_sqr} * C_Dax                    公式17

其中是Z_{q_sqr}是电动机32的q轴阻抗的平方，Z_{d_sqr}是d轴阻抗平方，B_Dax、C_Dax以及S_Dax是基于目标电压循环的变量，I_{q_REF}使用以上公式1来确定，并且V_CMD = V_ecu。随后可以通过以下d轴目标电压循环算法来确定参考d轴电流I_{d_REF}：

如果 S_Dax >= 0, 那么 I_{d_REF} = (-B_Dax-)/(2* Z_{d_sqr})

否则

I_{d_REF} = (-B_Dax)/(2* Z_{d_sqr})

其中基于变量S_Dax来计算参考d轴电流I_{d_REF}。电流命令控制器20随后确定如由以上平滑函数确定的参考d轴电流I_{d_REF}与如由目标电压循环方法确定的参考d轴电流I_{d_REF}之间的最大值，并且将参考d轴电流I_{d_REF}设定为该最大值。

在（使用平滑函数或目标电压循环方法）确定了参考d轴电流I_{d_REF}之后，电流命令控制器20使用以上公式6重新计算参考q轴电流I_{q_REF}，其中如由目标电压循环确定的d轴电流I_{d_REF}用于I_{d_REF_MAX}。电流命令控制器20随后确定如由公式6确定的参考q轴电流I_{q_REF}与如使用如上所述的公式1确定的参考q轴电流I_{q_REF}之间的最小值。电流命令控制器20随后将参考q轴电流I_{q_REF}设定为该最小值。

一旦确定了参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}，则电流命令控制器20使用以上公式8-12来重新计算电压命令V_cmd。电流命令控制器20也根据公式18确定峰值电流I_{PEAK_CURRENT}：

I_{PEAK_CURRENT} =                     公式18

一旦重新计算出电压命令V_cmd并且确定了峰值电流I_{PEAK_CURRENT}，则电流命令控制器20确定电压命令V_cmd的数值是否大于或等于电桥电压V_ecu (V_cmd> V_ecu)，或者最大电流值Max_Current是否大于峰值电流I_{PEAK_CURRENT}（Max_Current > I_{PEAK_CURRENT}）。变量Max_Current是存储在内存中的预定值。如果符合任一个条件（例如，V_cmd> V_ecu或Max_Current > I_{PEAK_CURRENT}），则电流命令控制器20可以使用目标电压循环方法来重新计算参考q轴电流I_{q_REF}，以下进行描述。然而，如果不符合任一个条件，则电流命令控制器20可以根据以上公式8-9来重新计算前馈q轴电压V_QFF和前馈d轴电压V_DFF，并且将前馈q轴电压V_QFF和前馈d轴电压V_DFF存储在内存中。

电流命令控制器20可以基于如公式19-21中描述的目标电压循环方法来重新计算参考q轴电流I_{q_REF}，其中：

B_Qax = I_{Q_REF} *R *( X_q – X_d)+ 2* Ke /* ω_m * R                    公式19

C_Qax = I_{d_REF}²* Z_{d_sqr} – Ke /* ω_m *X_d * I_dref + (Ke/* ω_m)²-V_ecu²/3                    公式20

S_Qax = B_Qax²-4 * Z_{q_sqr} *C_Qax                    公式21

其中I_{d_REF}使用以上公式13-17来确定，并且V_cmd = V_ecu。随后可以使用以下q轴目标电压循环算法来确定参考q轴电流I_{q_REF}：

如果 S_Qax >= 0, 那么 I_{q_REF} = (-B_Qax-sqrt(S_Qax))/(2* Z_{q_sqr})

否则

I_{q_REF} = (-B_Qax)/(2* Z_{q_sqr})

一旦使用q轴电流电压循环算法确定了参考q轴电流I_{q_REF}，则电流命令控制器20可以根据以上公式6-7来重新计算前馈q轴电压V_QFF和前馈d轴电压V_DFF，并且将前馈q轴电压V_QFF和前馈d轴电压V_DFF存储在内存中。

图2是示出用于确定参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}的方法200的示例性过程流程图。现在参照图1-2，方法200可以在方框202开始，其中电流命令控制器20接收转矩参考命令T_e、角速度ω_m以及电桥电压V_ecu作为输入。方法200随后可以进行到方框204。

在方框204中，电流命令控制器20确定参考q轴电流I_{q_REF}。在一个实施例中，参考q轴电流I_{q_REF}可以由如上所述的公式1确定。方法200随后可以进行到方框206。

在方框206中，电流命令控制器20确定参考q轴电流I_{q_REF}的数值是否大于预定参考q轴电流I_{q_REF_MAX}。如果答案是否，则方法200随后可以进行到方框208，其中参考d轴电流I_{d_REF}是基于如上所述的平滑函数。然而，如果答案是是，则方法200随后可以进行到方框210，其中参考d轴电流I_{d_REF}是基于平滑函数或者由以上公式7（产生最大值的任何方法）来确定。方法200从方框208和210都可以进行到方框212。

在方框212中，电流命令控制器20确定电压命令V_cmd的数值是否大于或等于电桥电压V_ecu。如果答案是是，则方法200可以进行到方框214。如果答案是否，则选择第一工作区域RI或第二工作区域RII，并且方法200可以进行到方框224。

在方框214中，选择第三工作区域RIII。方法200随后可以进行到方框216。

在方框216中，电流命令控制器20确定d轴电流I_{d_REF}。具体来说，电流命令控制器20确定如由以上平滑函数确定的参考d轴电流I_{d_REF}（在方框208或210中）与如由目标电压循环方法确定的参考d轴电流I_{d_REF}之间的最大值，并且将参考d轴电流I_{d_REF}设定为该最大值。一旦确定了参考d轴电流I_{d_REF}，则电流命令控制器20使用以上公式6来重新计算参考q轴电流I_{q_REF}，并且确定如由公式6确定的参考q轴电流I_{q_REF}与如在以上方框204中（使用公式1）确定的参考q轴电流I_{q_REF}之间的最小值。电流命令控制器20随后将参考q轴电流I_{q_REF}设定为该最小值。方法200随后可以进行到方框218。

在方框218中，电流命令控制器20使用如上所述的公式6-10来重新计算电压命令V_cmd。电流命令控制器20也根据如上所述的公式16来确定峰值电流I_{PEAK_CURRENT}。方法200随后可以进行到方框220。

在方框220中，电流命令控制器20确定电压命令V_cmd的数值是否大于或等于电桥电压V_ecu (V_cmd> V_ecu)，或者最大电流值Max_Current是否大于峰值电流I_{PEAK_CURRENT}（Max_Current > I_{PEAK_CURRENT}）。如果符合任一个条件（例如，V_cmd> V_ecu或Max_Current > I_{PEAK_CURRENT}），则方法200可以进行到方框222。然而，如果不符合任一个条件，则方法200随后可以进行到方框224。

在方框222中，电流命令控制器20可以重新计算参考q轴电流I_{q_REF}。具体来说，电流命令控制器20使用如在公式19-21中描述的目标电压循环方法来确定q轴电流I_{q_REF}。方法200随后可以进行到方框224。

在方框224中，电流命令控制器20可以根据以上公式8-9重新计算前馈q轴电压V_QFF和前馈d轴电压V_DFF，并且将前馈q轴电压V_QFF和前馈d轴电压V_DFF存储在内存中。方法200随后可以重复或终止。

如上所述的电流命令控制器20基于转矩命令T_e、电桥电压V_ecu以及角速度ω_m根据第一工作区域RI、第二工作区域RII或第三工作区域RIII来确定参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}。如由电流命令控制器20确定的参考d轴电流I_{d_REF}基本上补偿由传感器滞后以及用于控制电动机32的方法的任何其他限制导致的损失转矩。

虽然结合仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应容易理解，本发明并不限于这些披露的实施例。相反，可以修改本发明以并入此前未描述但是适应本发明的精神和范围的任何数量的变化、改变、替换或等效布置。此外，虽然已经描述了本发明的各个实施例，但是应理解，本发明的那些方面可以包括所述实施例中的仅一些。因此，并不将本发明视为受到以上描述限制。