使用机器电流限制的永磁同步马达驱动器的功率管理

摘要

描述了多种用于控制电机(诸如永磁同步马达(PMSM)驱动器)或马达控制系统的操作的技术方案，以防止PMSM驱动器中的过大机器电流或电压。系统和方法采用用于PMSM的转矩控制算法，该算法使用对PMSM驱动器中的机器电流和电压容量两者的约束，以及根据在这些机器电流和电压约束下的最大允许转矩的在线转矩命令修改。

说明书

技术领域

本申请总体上涉及用于控制电机(诸如永磁同步马达(PMSM)驱动 器或马达控制系统)的操作的方法和系统。更具体地说，本申请涉及用于 限制PMSM驱动器中的机器电流和电压的方法和系统，以防止PMSM驱 动器中过大的机器电流或电压。在电动助力转向(EPS)系统中提供了示 例性实施例。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)由于其诸如高功率密度、易控性和改进的可 靠性的性质而在电驱动应用中获得越来越多的关注。PMSM最广泛采用的 控制技术是矢量控制，其中所有交流(AC)信号通过参考坐标变换被转 换成直流(DC)信号。随后，利用电流调节器在同步旋转或d/q参考坐 标系中实施控制系统。

发明内容

根据一个或多个实施例，提供了一种系统和方法，该系统和方法被配 置为确定转矩命令，该转矩命令被限制在针对指定的最大DC链路电压的、 PMSM的最大转矩内，并且不超过指定的最大PMSM电流限值；以及使 用所述转矩命令执行最大转矩电流比(MTPA)计算，以确定用于PMSM 控制的电流命令。

根据一个或多个示例性实施例的一个方面，该系统和方法被分别进一 步配置为确定PMSM电压是否超过系统的指定的最大DC链路电压；以 及当PMSM电压不超过指定的最大DC链路电压时，将来自MTPA计算 的电流命令用于PMSM控制。

根据一个或多个示例性实施例的一方面，当MTPV计算确定PMSM 电压超过指定的最大DC链路电压时，该系统和方法被分别进一步配置为 执行MTPV计算，以确定：用于PMSM控制的电流命令，该电流命令在 PMSM的最大转矩被确定为小于或等于给定转矩命令时实现针对指定额 最大DC链路电压的、PMSM的最大转矩；以及用于PMSM控制的电流 命令，该电流命令在PMSM的最大转矩被确定为大于给定转矩命令时实 现所述给定转矩命令。

根据一个或多个示例性实施例的一个方面，当在MTPV计算期间确 定PMSM的最大转矩大于给定转矩命令时，该系统和方法被分别进一步 配置为减小PMSM电压，直到PMSM的最大转矩基本上等于针对指定的 马达速度的给定转矩命令为止，随后确定用于PMSM控制的电流命令。

根据一个或多个实施例，提供了一种系统和方法，其被配置为确定被 限制在马达的最大转矩内的转矩命令；使用所述转矩命令执行最大转矩电 流比(MTPA)计算以确定用于马达控制的电流命令；执行最大转矩电压 比(MTPV)计算，其根据需要修改电流命令以满足系统电压约束；计算 马达电流值；当所计算的马达电流值不超过指定的最大马达相电流限值时， 使用来自转矩控制模块的电流命令用于马达控制；以及当所计算的马达电 流值超过指定的最大马达相电流限值时，基于所选择的电流角度确定用于 马达控制的更新的电流命令。使用对马达电流角度的搜索操作来确定所选 定的电流角度，使得：如果所述计算的马达电流超过指定的最大马达相电 流限值，则所计算的马达电流的大小被固定在指定的最大马达相限值处， 并且从

根据一个或多个示例性实施例的一个方面，该系统和方法被分别进一步 配置为通过扫描电流角度α来执行对所选定的电流角度的搜索操作，以获得 V

I

I

其中I

V

V

其中R是马达电路电阻(欧姆)，L

从以下结合附图的描述中，这些和其它优点和特征将变得更加明显。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并明确地要求保护本公开 的主题。从以下结合附图的详细描述中，本公开的前述和其它特征以及优 点变得明显，其中：

图1描绘了根据本公开的多个方面的EPS系统的示例性实施例的框 图；

图2描绘了根据本公开的多个方面的用于PMSM的示例性转矩控制 算法的框图；

图3描绘了PMSM驱动器中的工作区域；以及

图4描绘了PMSM驱动器的MTPA运算下的电流命令轨迹。

图5描绘了PMSM驱动器的MTPA运算下的电压轨迹。

图6描绘了根据本公开的多个方面的用于PMSM的改进的示例性转 矩控制算法的框图。

图7描绘了根据本公开的多个方面的用于PMSM的另一个改进的示 例性转矩控制算法的框图。

图8描绘了根据本公开的多个方面的用于PMSM的又一个改进的示 例性转矩控制算法的框图。

具体实施方式

现参照附图，其中本公开将参照具体的实施例进行描述，而并不限于 该具体实施例，可以理解的是，公开的实施例仅仅用是本公开的说明，本公 开可以以各种或替代的形式体现。附图不必按比例绘出；一些特征可放大 或最小化以示出特定组件的细节。因此，本文所公开的特定的结构或功能 并不解释为限制性的，而仅仅作为教导本领域技术人员以各种各样的方式 采用本公开的代表性基础。

本文使用的术语“模块”和“子模块”是指一个或多个处理电路(诸 如专用集成电路(ASIC))、电子电路、用于执行一个或多个软件或固件 程序的处理器(共享的、专用的或组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供 所述功能的其它适当组件。可以理解，下面描述的子模块可以被组合和/或 进一步分割。

通过通常采用电流和位置测量的电流控制实现PMSM转矩控制。在各 种控制策略之中，磁场定向控制(FOC)是最常用的电流控制技术，其中所 有AC信号通过参考坐标变换而变换成DC信号。随后，利用变换后的电流 反馈在同步旋转或d/q参考坐标系中实施控制系统。

为了实现关于转矩或效率的最佳PMSM控制性能，必须恰当地控制机 器电流和电压。已经开发出各种算法用于PMSM控制，以实现更好的轨迹 跟踪精度，从而提高系统性能。这些先前算法均不用于PMSM最佳电流轨 迹控制；然而，本文提出的算法在考虑机器和/或逆变器电流限值和电压限 值两者的情况下实现了最佳的PMSM控制。

本文提供的示例性实施例提供了有利的和新的PMSM控制方案，用于 在PMSM驱动器中的机器电流和电压容量的约束内进行最佳电流轨迹控制。 根据本文所述的示例性实施例，机器电流和电压限值被转换为PMDM驱动 系统中的等效PMSM转矩限值，并且通过根据在机器电流和电压约束下的 最大允许转矩的在线转矩命令修改来实施。示例性实施例的转矩控制方案分 别限制机器电流和电压，同时还确保了用于PMSM转矩最大化的最佳电流轨迹。因此，示例性实施例的改进的转矩控制算法防止了由PMSM驱动系 统中的过大机器电流或电压所引起的潜在影响。示例性实施例的改进的转矩 控制算法可应用于采用PMSM的所有电驱动系统，并且不限于任何具体应 用。

本文参照图1和图2描述示例EPS系统和用于PMSM驱动器的转矩控 制算法，接着参照图6、7和8描述用于PMSM驱动器的改进的转矩控制算 法的示例性实施例。

现参照附图，其中将参照具体实施例描述技术方案，而不是对其进行 限制，图1是适于实施所公开的实施例的电动助力转向系统(EPS)40的示 例性实施例。

现参照附图，其中将参照具体实施例描述技术方案，而不是对其进行 限制，图1是适用于所公开的实施例的实施的电动助力转向系统(EPS)40 的示例性实施例。转向机构36是齿条齿轮型系统，且包括在壳体50内的齿 形齿条(未示出)以及位于齿轮壳体52下方的小齿轮(也未示出)。随着 操作者输入，下文表示的方向盘26(例如，手轮等)转动，上转向轴29转 动，并且通过万向节34连接到上转向轴29的下转向轴51转动小齿轮。小 齿轮的旋转移动齿条，齿条移动拉杆38(仅示出一个)，进而移动转向节 39(仅示出一个)，该转向节转动可转向轮44(仅示出一个)。

电动助力转向辅助通过通常以附图标记24表示的控制设备提供，并且 包括控制器16和电机46，该电机可以是永磁同步马达(PMSM)，在下文 中表示为马达46。控制器16由车辆电源10通过线路12供电。控制器16 从车辆速度传感器17接收表示车辆速度的车速信号14。通过位置传感器32 测量转向角，该位置传感器可以是光学编码型传感器、可变电阻型传感器 或任何其它合适类型的位置传感器，并且向控制器16供应位置信号20。可 以使用转速计或任意其它装置测量马达速度，并将其作为马达速度信号21 传输到控制器16。可以测量、计算或测量并计算表示为ω

当方向盘26转动时，转矩传感器28感测由车辆操作者施加到方向盘26的转矩。转矩传感器28可包括扭力杆(未示出)和可变电阻型传感器(也 未示出)，转矩传感器28向控制器16输出与扭力杆上的扭转量有关的可变 转矩信号18。尽管传感器28是一种转矩传感器，但是利用已知信号处理技 术的任何其它合适的转矩感测装置也将满足要求。响应于各种输入，控制器 向电动马达46发送命令22，该电动马达通过蜗杆47和蜗轮48向转向系统提供转矩辅助，从而向车辆转向提供转矩辅助。

应该注意，尽管通过参照用于电动助力转向应用的马达控制来描述所 公开的实施例，但是应该理解，这些参照仅是说明性的，并且所公开的实施 例可以应用于采用电动马达的任何马达控制应用，例如转向、阀控制等。此 外，本文的参照和描述可适用于许多形式的参数传感器，包括但不限于转矩、 位置、速度等。还应注意，本文对电机的参照包括但不限于马达，以下为了 简洁和简单起见，将仅对马达进行参照而不进行限制。

在所描绘的控制系统24中，控制器16利用转矩、位置和速度等来计 算用于传递所需输出功率的命令。控制器16被配置为与马达控制系统的各 种系统和传感器进行通信。控制器16接收来自每个系统传感器的信号，量 化接收到的信息，并响应于此提供输出命令信号，在本示例中，例如，提供 给马达46。控制器16被配置为从逆变器(未示出，其可以可选地并入控制 器16中并且在本文中称为控制器16)生成相应的电压，使得当该电压施加 于马达46时，生成期望的转矩或位置。在一个或多个示例中，控制器24 以反馈控制模式运作(作为电流调节器)，以生成命令22。可替代地，在 一个或多个示例中，控制器24以前馈控制模式运转，以生成命令22。由于 这些电压与马达46的位置和速度以及期望的转矩有关，因此确定转子的位 置和/或速度以及由操作者施加的转矩。位置编码器连接到转向轴51，以检测角位置θ。编码器可以基于光学检测、磁场变化或其它方法来感测旋转位 置。典型的位置传感器包括电位计、旋转变压器、同步器、编码器等，以及 包括前述中的至少一个的组合。位置编码器输出指示转向轴51的角位置(并 由此指示马达46的角位置)的位置信号20。

期望的转矩可以由传输指示所施加的转矩的转矩信号18的一个或多个 转矩传感器28确定。一个或多个示例性实施例包括这种转矩传感器28以及 来自其的转矩信号18，可以响应于柔性扭杆、T形杆、弹簧或被配置为提 供指示所施加转矩的响应的类似设备(未示出)。

在一个或多个示例中，温度传感器23位于电机46处。优选地，温度 传感器23被配置为直接测量马达46的感测部分的温度。温度传感器23将 温度信号25传输到控制器16，以便于本文规定的处理和补偿。典型的温度 传感器包括热电偶、热敏电阻、恒温器等以及包括前述传感器中的至少一 个的组合，其在适当放置时提供与特定温度成比例的可校准信号。

位置信号20、速度信号21和转矩信号18等被施加到控制器16。控制 器16处理所有输入信号，以生成对应于每个信号的值，得到可用于本文规 定的算法中的处理的转子位置值、马达速度值和转矩值。通常，还根据期望 对诸如上述的测量信号进行线性化、补偿和滤波，以增强特性或消除所获 取信号的不期望特性。例如，信号可以被线性化，以提高处理速度，或者 解决信号的大动态范围。此外，可以采用基于频率或基于时间的补偿和滤 波来消除噪声或避免不期望的光谱特性。

为了执行规定的功能和期望的处理及其计算(例如，马达参数的识别、 控制算法等)，控制器16可包括但不限于，处理器、计算机、数字信号处 理(DSP)、存储器、存储装置、寄存器、定时、中断、通信接口和输入/ 输出信号接口等，以及包括前述中的至少一种的组合。例如，控制器16可 包括输入信号处理和滤波，以实现来自通信接口的这种信号的精确采样和转 换或获取。在本文稍后详细讨论控制器16的额外特征和其中的某些处理。

在一个或多个示例中，本文所述的技术方案有利于EPS系统的电动驱 动部分(即马达控制系统)的功率管理。应该注意，尽管本文使用电动助力 转向系统的实施例描述技术方案，但是该技术方案可应用于在任何其它 PMSM中使用的任何其它马达控制系统。

图2描绘了PMSM的示例转矩控制算法170的框图。该框图描绘了马 达控制系统100，其中针对从电池110导出的给定DC链路电压V

根据示例性实施例，提供了一种用于PMSM驱动器的改进的转矩控制 算法，其主动地执行机器电流和电压管理。通过分析图3所描绘的PMSM 驱动系统的各种操作模式，可以便于该算法的开发。在PMSM驱动系统中 主要存在两个操作区域(即MTPA和MTPV)，在图3中分别表示为区域I 和区域III。这两个不同区域中的电流命令分别利用MTPA和MTPV技术或运算生成，以实现最佳的电流命令轨迹，并因此实现最佳的马达控制。本 质上，MTPA运算用于确定dq电流命令

除了区域I和III之外，在它们之间还存在过渡区域(在图3中表示为 区域II)，其中

机器电流和电压管理在PMSM驱动器中很关键，并且必须在控制系统 中考虑以确保机器在最佳运行状况下运行。首先，必须确保给定PMSM系 统的电压在电压容量下，以避免控制算法失效。此外，机器电流必须保持 在特定的最大限值以下，这是由于机器电流影响机器内部的功率损耗和热 耗散，并且直接与必须能够承载最大机器电流的逆变器设计相关。如果机 器电流高于设备额定功率，则逆变器可能发生故障。因此，必须在设备额 定电流内仔细管理机器电流以避免逆变器故障并因此提高系统可靠性。此 外，良好控制的机器电流可以降低逆变器设计过程中对设备额定值的要求， 这有助于硬件电路设计具有缩减成本的组件。

先前技术主要考虑最佳电流轨迹控制，使得转矩或效率可以被最大化。 然而，先前技术没有考虑最大机器电流。为了防止由高机器电流所引起的 潜在问题，期望具有最大机器电流限值和最佳电流轨迹控制的PMSM控制 方案以增强系统设计，同时确保PMSM驱动器中的最大转矩或效率。

本文根据示例性实施例所述的PMSM控制方案确保了机器电流和电压 限制目标，具有确保最大转矩或效率的能力，容易在线实施，并且在机器 的整个工作区域上具有良好的精度。为了主动地限制机器电流，必须执行 PMSM工作轨迹分析，如图3所示。

在PMSM驱动系统中主要存在两个工作区域(即MTPA和MTPV)， 它们在图3中分别表示为区域I和区域III。这两个不同区域中的电流命令 分别利用MTPA和MTPV技术生成，以实现最佳的电流轨迹并由此实现最 佳的马达控制。本质上，MTPA技术用于确定dq电流命令

在图4中示出了PMSM的MTPA轨迹。从图中可以看出，对于给定的 转矩命令(例如T

如果机器电流限值I

图6示出了PMSM控制方案的流程图，该方案包括考虑电流和电压容 量的改进的转矩控制算法170’。考虑电流和电压容量的改进的转矩控制算 法170’是通过修改现有转矩控制算法170的电流命令计算过程实现的。具 体地说，机器电流限值的额外约束被添加到转矩搜索操作120’中以找到系 统容量内的最大转矩，其同时确保了机器电流在限值I

继续参照图6，改进的转矩控制算法170’执行转矩限制操作120’以确 定转矩命令

用于计算T

V

V

方程(1)和方程(2)是马达电压方程。方程(3)是转矩方程。方程 (4)是电压约束。方程(5)是马达相电流约束。通过图6的示例性实施例 实现的优化的目的是使方程(3)中的转矩最大化，同时满足电压和马达电 流的约束。注意，在这些方程中，R是马达电阻(欧姆)，L

进一步参照图6，改进的转矩控制算法170’执行MTPV运算(140’)， MTPV运算确定PMSM电压是否超过系统的指定的最大DC链路电压(框 142)，并且当PMSM电压v

图6中的改进的转矩控制算法170’能够在PMSM驱动器中实现最佳转 矩控制。然而，在位于图3所示的PMSM操作的区域II中的一些运算点(即 当在V

实际上，在MTPV运算140”确定PMSM的最大转矩T

由于机器160和逆变器150可被设计成在大多数操作状况(即，或没 有通过机器电流限制进行机器和逆变器设计优化的所有操作状况)下承载机 器电流，因此除了在MTPA区域之后在大转矩命令下的窄过渡区域之外， 在大多数时间没有任何限制的机器电流将不会对PMSM驱动系统中的机器 160和逆变器150造成损坏。这样，根据另一示例性实施例，提供了一种改 进的转矩控制算法180，其采用图8所示的电流命令的命令生成后修改。

如图8所示，改进的转矩控制算法180采用与参照图2描述的现有转 矩控制算法170类似的电流命令生成模块。改进的转矩控制算法180通过首 先计算现有转矩控制算法170的输出处的机器电流i

对所选择的电流角度的搜索操作(框192)包括扫描电流角度α以获得V

I

I

其中I

V

V

其中R是马达电路电阻(欧姆)，L

在改进的转矩控制算法180(其在现有转矩控制算法170之后提供了i

在图6、7和8的示例性实施例中给出的示例技术方案中的每一个可以 给出关于考虑机器电流和电压容量的最佳电流轨迹跟踪的预期结果。对于 原始i

机器电流限制在电驱动中是必要的，以帮助保护马达、逆变器和电驱 动系统的其它部件。尽管现有技术可用于马达电流管理，但是这些现有技 术具有缺点。例如，可以执行离线校准；然而，校准后的电流限值通常过 于保守。而且，必须对不同马达执行离线校准，这是耗时的。此外，由于 这些技术的离线特性，电流和转矩命令不是最佳的，这是因为没有考虑PMSM 160的动态变化操作状况。另一方面，虽然迭代地修改电机转矩命 令的动态技术更加精确，但是它们在实施时计算很复杂。

由于许多原因，由图6、7和8的示例性实施例提供的用于马达电流管 理的技术方案优于前述电流限制技术。例如，示例性实施例是计算有效的 方案，因为附加到原始参考模型的额外的马达电流约束(例如，图2的转矩 控制算法170和图3至5中的PMSM工作区域或模式和轨迹分析)。此外， 图6至8的多个示例性实施例提供了精度与复杂性之间的方便的折衷。图6 至8的示例性实施例考虑通过在线限制能力的操作状况的动态变化，能够 动态地限制最大马达电流，适用于所有状况下的所有永磁同步电机。

本文参照根据技术方案的实施例的方法、设备(系统)和计算机程序 产品的流程图和/或框图描述了本技术方案的多个方面。应该理解，流程图 和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机可读 程序指令来实施。

附图中的流程图和框图示出了根据本技术方案的各种实施例的系统、 方法和计算机程序产品的可能实施的架构、功能和操作。在这方面，流程图 或框图中的每个框可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实施指定 逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施中，框中记载的功能可 以不以图中所示的顺序发生。例如，实际上，连续示出的两个框可以基本上 同时执行，或者有时可以以相反的顺序来执行这些框，这取决于所涉及的功 能。还将注意的是，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框 的组合可以由专用的基于硬件的系统来实现，该系统执行指定的功能或动作， 或者实施专用硬件和计算机指令的组合。

还将理解，执行指令的本文示例的任何模块、单元、组件、服务器、 计算机、终端或装置可包括或以其它方式访问计算机可读介质，诸如存储介 质、计算机存储介质或(可移动和/或不可移动的)数据存储装置，例如磁 盘、光盘或磁带。计算机存储介质可包括以任何方法或技术实施的易失性和 非易失性、可移动和不可移动介质，用于存储诸如计算机可读指令、数据结 构、程序模块或其它数据的信息。这种计算机存储介质可以是装置的一部分 或可访问的或可连接到其上的。可以使用可由这种计算机可读介质存储或以 其它方式保持的计算机可读/可执行指令来实施本文所述的任何应用或模块。

虽然已经结合仅有限数量的实施例详细描述了本公开，但是应该容易 地理解，本公开不限于这些公开的实施例。相反，本公开可以被修改为包 括迄今为止未描述但与本公开的范围相称的任何数量的变化、变更、替代 或等同布置。此外，虽然已经描述了本公开的各种实施例，但是应该理解， 本公开的多个方面可以仅包括所描述实施例中的一些。因此，本公开不被 视为受前述描述限制。