在可变的运转速度下用可变的切换频率控制电动机的方法和系统的制作方法
【专利摘要】数据处理器建立电动机的转子的转速的从第一下限至第一上限的第一范围(图3中的S300)以及转速的从第二下限至第二上限的转速的第二范围(S302)。速度的滞后带或转速范围被建立，使得在第一范围内的操作期间，所述第一上限被调整(例如，被抬高第一量以大于所述第二下限)(S304)。传感器检测或测量所述电动机的转子的转速(S306)。数据处理器确定测得的转速是否落入被所述滞后带调整后的所述第一范围或第二范围，以确定选定的速度范围(S308)。依据所述选定的速度范围改变脉冲宽度调制信号的切换频率(S310)。
【专利说明】在可变的运转速度下用可变的切换频率控制电动机的方法和系统
[0001]本发明根据35U.S.C.119(e)要求2011年2月23日提交的、名称为“METHOD ANDSYSTEM FOR CONTROLLING AN ELECTRIC MOTOR WITH VARIABLE SWITCHING FREQUENCY ATVARIABLE OPERATING SPEEDS”的第61/445，632号美国临时申请的优先权。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种在可变的运转速度下用可变的切换频率(例如，脉冲宽度调制频率)的控制电动机的方法和系统。
【背景技术】
[0003]电动机可具有带永磁体的转子和定子，例如内永磁体(IPM)电动机或IPM同步电动机。将该电动机用于车辆牵引装置通常需要宽速度范围的电动机控制。尽管在一定程度上，可以通过由逆变器提供的脉冲宽度调制切换频率的增加提高电动机的控制性能，但过高的切换频率增加了逆变器的切换损失，因热冲击而降低了逆变器寿命，并且增加了逆变器内的数据处理器或数字信号处理器的数据处理负担。因此，需要一种控制具有宽的可变运转速度的电动机的方法和系统，以便可为逆变器选择平衡的或最佳的脉冲调制频率。
【发明内容】
[0004]根据一个实施例，本发明提出了用于控制电动机的方法和系统。数据处理器建立电动机的转子的转速的从第一下限至第一上限的第一范围。数据处理器建立转子的转速的从第二下限至第二上限的第二范围。速度的滞后带或转速范围被建立，使得在第一范围内的操作期间，所述第一上限被调整(例如，被抬高第一量以大于所述第二下限)。传感器检测或测量所述电动机的转子的转速。数据处理器确定测得的转速是否落入被所述滞后带调整后的所述第一范围或第二范围，以确定选定的速度范围。所述数据处理器、PWM模块、或逆变器电路依据所述选定的速度范围改变脉冲宽度调制信号的切换频率。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]图1是用可变速度控制法控制电动机的系统的一个实施例的方块图。
[0006]图2是与图1 一致的电子数据处理系统的方块图。
[0007]图3是用可变速度控制法控制电动机的方法的第一实例的流程图。
[0008]图4是用可变速度控制法控制电动机的方法的第二实例的流程图。
[0009]图5是用可变速度控制法控制电动机的方法的第三实例的流程图。
[0010]图6是用可变速度控制法控制电动机的方法的第四实例的流程图。
【具体实施方式】
[0011]根据一个实施例，图1公开了用于控制电动机117 (例如，内置永磁体(IPM)电动机)或其他交流电机的系统。本文中描述的方法和系统可以被同等地应用于具有宽的运转速度的内永磁体电动机、感应电机或表面安装式永磁体(PM)电动机。在一个实施例中，除电动机117外，该系统可以被称为逆变器或电动机控制器。该系统或逆变器可良好地适用于电动机轴的很宽地变化的运转速度，因此，可以在一个或多个不同速度范围内为逆变器选出平衡的或最佳的脉冲宽度调制频率。
[0012]该系统包括电子模块、软件模块，或以上二者。在一个实施例中，电动机控制器包括电子数据处理系统120，以支持一个或多个软件模块的软件指令的存储、处理或执行。电子数据处理系统120如图1中的虚线所示，并且在图2中被更详细地示出。
[0013]电子数据处理系统120被连接到逆变器电路188。逆变器电路188包括半导体驱动电路，该半导体驱动电路驱动或控制切换半导体(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他功率晶体管)以输出用于电动机117的控制信号。依次地，逆变器电路188被连接到电动机117。电动机117与传感器115(例如，位置传感器、分解器或编码器位置传感器)关联，传感器115与电动机轴126或转子相关联。例如，传感器115和电动机117被连接到数据处理系统120，以提供反馈数据(例如，诸如ia，ib，i。的电流反馈数据)、原始位置信号、以及其他可能的反馈数据或信号。例如，其他可能的反馈数据包括但不限于:绕组温度读数、逆变器电路188的半导体温度读数、三相电压数据、或电动机117的其他热学信息或性能信肩、O
[0014]在一个实施例中，转矩指令生成模块105被连接到d-q轴电流生成管理器109 (例如，d-q轴电流生成查找表)。d-q轴电流指的是可应用于矢量控制式交流电机(例如电动机117)中的直轴电流和正交轴电流。d-q轴电流生成管理器109的输出和电流调整模块107 (例如，d-q轴电流调整模块)的输出被提供给加法器119。依次地，加法器119的一个或多个输出(例如，直轴电流数据(i/)和正交轴电流数据(1:)被提供或连接至电流调整控制器111。
[0015]电流调整控制器111能够与脉冲宽度调制(PWM)生成模块112 (例如，空间矢量PWM生成模块)通信。电流调整控制器111接收相应的d-q轴电流指令(例如i/和i/)和实际d-q轴电流(例如id和g以及与d-q轴电压指令(例如v/和 < 指令)相对应的输出，用于输入至PWM生成模块112。
[0016]在一个实施例中，PWM生成模块112例如将直轴电压和正交轴电压数据从两相数据表示转化为三相数据表示(例如，三相电压表示，诸如va%VbmVc*)以用于电动机117的控制。PWM生成模块112的输出被连接到逆变器188。
[0017]逆变器电路188包括功率电子元件，如用于生成、修改和控制施加到电动机117的经脉冲宽度调制的信号或其他交流信号(例如，脉冲、方波、正弦波、或其他波形)的切换半导体。PWM生成模块112向逆变器电路188内的激励级(driver stage)提供输入。逆变器电路188的输出级提供经脉冲宽度调制的信号、交流信号、经脉冲宽度调制的电压波形、或其他电压信号，以用于电动机的控制。在一个实施例中，逆变器188由直流(DC)电压总线供电。
[0018]电动机117与估算电动机轴126的角位置、电动机轴126的速度或转速以及电动机轴126的旋转方向中的至少一个的传感器115(例如，分解器、编码器、速度传感器、或其他位置传感器或速度传感器)关联。传感器115可以被安装到电动机轴126上或与之成一体。传感器115的输出能够与主处理模块114(例如，位置和速度处理模块)通信。在一个实施例中，传感器115被连接到模数转换器(未示出)，所述模数转换器将模拟位置数据或速度数据分别转换为数字位置或速度数据。在其他实施例中，传感器115(例如，数字位置编码器)可提供电动机轴126或转子的位置数据或速度数据的数字数据输出。
[0019]主处理模块114的第一输出(例如，电动机117的位置数据和速度数据)被传输至相位变换器113 (例如,三相变两相电流帕克变换(Park transformation)模块)，其中相位变换器113将各个测得的电流的三相数字表示转换为测得的电流的两相数字表示。主处理模块114的第二输出(例如，速度数据)被传输至计算模块110(例如，经调整的电压/速度比模块)。
[0020]感测电路124的输入被连接到电动机117的终端，以至少检测被测量的三相电流和直流电流(DC)总线(例如，向逆变器电路188提供DC功率的高压DC总线)的电压电平。感测电路124的输出被连接到模数转换器122，以将感测电路124的输出数字化。依次地，模数转换器122的数字输出被连接到辅助处理模块116 (例如，直流(DC)总线和三相电流处理模块)。例如,感测电路124与电动机117相关联以用于测量三相电流(例如，施加到电动机117的绕组的电流，感应到所绕组中的反电动势，或以上二者)。
[0021]主处理模块114和辅助处理模块116的一些输出被提供给相位变换器113。例如，相位变换器113可应用帕克变换或其他转换方程(例如，对于本领域普通技术人员而言已知的适当的特定的转换方程)以基于来自辅助处理模块116的数字三相电流数据和来自传感器115的位置数据将测得的三相电流表示转换为二相电流表示。相位变换器113的输出被连接到电流调整控制器111。
[0022]主处理模块114和辅助处理模块116的其他输出可以被连接到计算模块110(例如，经调整的电压/速度比计算模块)的输入。例如，主处理模块114可提供速度数据(例如，电动机轴126的每分钟转数)，而辅助处理模块116可提供(例如，在车辆的直流(DC)总线上)测得的直流电压电平。向逆变器电路188供电的DC总线上的直流电压电平可因为各种因素(包括但不限于:环境温度、电池状况、电池充电状态、电池电阻或电抗、燃料电池状态(如果可使用的话)、电动机负载状况、各自的电动机转矩和相应的运转速度、以及车辆电负载(例如，电驱动的空调压缩机))而波动或变化。计算模块110被作为媒介连接在辅助处理模块116和d-q轴电流发生管理器109之间。计算模块110的输出可调整或影响由d-q电流生成管理器109生成的电流指令，以补偿直流总线电压中的波动或变化及其他情况。
[0023]转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106、和终端电压反馈模块108被连接到d-q轴电流调整模块107或能够与d-q轴电流调整模块107通信。依次地，d-q轴电流调整模块107可与d-q轴电流生成管理器或加法器119通信。
[0024]转子磁体温度模块104估算或确定一个或多个转子永磁体的温度。在一个实施例中，转子磁体温度估算模块104可通过内部控制变量计算、位于定子上或者与定子热连通或者固定到电动机117的外壳上的一个或多个传感器估算转子磁体的温度。
[0025]在一个替换实施例中，转子磁体温度估算模块104可被位于定子上、与定子热连通的或者固定到电动机117的外壳上的一个或多个传感器替代或可依据这些传感器估算转子磁体的温度。[0026]在另一替换实施例中，转子磁体温度估算模块104可被安装在转子或磁体上的温度检测器(例如，热敏电阻或被连接到无线变送器的红外线感热器)替代，其中，所述检测器提供指示一个或多个磁体的温度的信号(例如，无线信号)。
[0027]在一个实施例中，所述方法或系统可以下述方式进行操作。转矩命令生成模块105通过车辆数据总线118接收输入控制数据信息，例如速度控制数据信息、电压控制数据信息、或转矩控制数据信息。转矩命令生成模块105将接收到的输入控制信息转化为转矩控制命令数据316。
[0028]d-q轴电流生成管理器109选择或确定与各个转矩控制命令数据和各个检测到的电动机轴126速度数据有关的直轴电流命令数据和正交轴电流命令数据。例如，d-q轴电流生成管理器109通过访问下述一个或多个项来选择或确定直轴电流命令、正交轴电流命令:(1)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的查找表、数据库或其他数据结构，(2)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的二次方程组或线性方程组，或(3)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的一组规则(例如“如果-则”(if-then)规则)。
[0029]电动机117上的传感器115有利于从电动机轴126提供检测到的速度数据，其中，主处理模块114可将由传感器115提供的位置数据转化为速度数据。
[0030]电流调整模块107 (例如，d-q轴电流调整模块)提供电流调整数据以基于来自转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106、和终端电压反馈模块108的输入数据调整直轴电流命令数据和正交轴电流命令数据。
[0031]电流成形模块106可基于以下一个或多个因素确定正交轴(q轴)电流命令和直轴(d轴)电流命令的校正或初步调整:例如，电动机117上的转矩载荷和电动机117的速度。转子磁体温度估算模块104可基于例如在已知的环境温度以及已知的操作条件下转子磁体的转子温度或磁场强度相对于特征化的转子温度或磁场强度的估算变化生成对于q轴电流命令和d轴电流命令的二次调整值。终端电压反馈模块108可基于控制器电压命令与电压极限的关系(versus)提供对于d轴和q轴电流的第三次调整。电流调整模块107可提供考虑了一个或多个下述调整的合并的电流调整:初步调整、二次调整和第三次调整。
[0032]传感器115(例如，轴或转子速度检测器)可包括下述一项或多项:直流电动机、光学编码器、磁场传感器(例如，霍尔效应传感器)、磁阻传感器、和分解器(例如，无刷分解器)。在一种构造中，传感器115包括位置传感器，其中，位置数据和相关的时间数据被处理，以确定电动机轴126的速度或转速。在另一种构造中，传感器115包括速度传感器，或速度传感器与积分器的组合，以确定电动机轴的位置。
[0033]在又一种构造中，传感器115包括辅助的、紧凑的直流发电动机，该直流发电动机被机械地连接到电动机117的电动机轴126，以确定电动机轴126的速度，其中，该直流发电动机产生与电动机轴126的转速成比例的输出电压。在再一种构造中，传感器115包括带有光源的光学编码器，其中，所述该光学编码器向被连接到轴126的旋转物体发送信号并在光学检测器处接受反射的或衍射的信号，其中被接收到的信号脉冲(例如，方波)的频率可与电动机轴126的速度成比例。在额外的构造中，传感器115包括带有第一绕组和第二绕组的分解器，其中，第一绕组接入交流电，在第二绕组中感生的电压随着转子的旋转频率而变化。[0034]在图2中，电子数据处理系统120包括电子数据处理器264、数据总线262、数据存储装置260、和一个或多个数据端口(268，270，272，274和276)。数据处理器264、数据存储装置260、和所述一个或多个数据端口被连接到数据总线262，以支持数据处理器264、数据存储装置260、和所述一个或多个数据端口之间的数据通信。
[0035]在一个实施例中，数据处理器264可包括一个或多个下述电子器件:电子数据处理器、微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑电路、运算逻辑单元、专用集成电路、数字信号处理器(DSP)、比例积分微分(PID)控制器、或其他数据处理装置。在一种构造中，数据处理器264的上述电子器件可以经由一个或多个数据总线、物理通信路径或虚拟通信路径互连。
[0036]数据存储装置260可包括任何用于存储数据的磁的、电子的或光学的装置。例如，数据存储装置260可包括电子数据存储装置、电子存储器、非易失性电子随机存取存储器、一个或多个电子数据寄存器、数据锁存器、磁盘驱动器、硬盘驱动器、光学磁盘驱动器等。
[0037]如图2所示，数据端口包括第一数据端口 268、第二数据端口 270、第三数据端口272、第四数据端口 274和第五数据端口 276，当然，也可采用其他任意适当数目的数据端口。每个数据端口可包括例如收发器或缓冲存储器。在一个实施例中，每个数据端口可包括任意串行或并并输入/输出端口。
[0038]在如图2描绘的一个实施例中，第一数据端口 268被连接到车俩数据总线118。依次地，车俩数据总线118被连接到控制器266。在一种构造中，第二数据端口 270可以被连接到逆变器电路188 ;第三数据端口 272可以被连接到传感器115 ;第四数据端口 274可以被连接到模数转换器122 ;以及第五数据端口 276可以被连接到终端电压反馈模块108。模数转换器122被连接到感测电路124。
[0039]在数据处理系统120的一个实施例中，转矩命令生成模块105与电子数据处理系统120的第一数据端口 268关联或由该第一数据端口 268支持。第一数据端口 268可以被连接到车俩数据总线118，例如控制器区域网络(CAN)数据总线。车辆数据总线118可经由第一数据端口 268向转矩命令生成模块105提供数据总线信息以及转矩命令。车辆的操作者可通过用户接口(例如油门、踏板、控制器266或其他控制装置)生成转矩命令。
[0040]在一些实施例中，传感器115和主处理模块114可与数据处理系统120的第三数据端口 272关联或由第三数据端口 272支持。
[0041]图3公开了用可变速度控制法控制电动机(例如，117)的方法的第一示例性实例。图3所示的方法开始于步骤S300。
[0042]在步骤S300中，数据处理器264建立电动机(例如，117)转子的转速的从第一下
限至第一上限的第一范围。
[0043]在步骤S302中，数据处理器264建立转子的转速的从第二下限至第二上限的第二范围。转速的第二范围可与转速的第一范围大致连续。在替换实施例中，例如，转速的第二范围可与转速的第一范围重叠。
[0044]在步骤S304中，数据处理器264建立速度的滞后带或转速范围，从而，在第一范围的操作期间，第一上限被调整或抬高第一量以大于第二下限。步骤S304可通过可以交替地或累加地施用的各种技术来执行。在第一种技术下，数据处理器264建立速度的滞后带或转速范围，从而，在第二范围的操作期间，第二下限被降低第二量以小于第一上限。在第二种技术下，第一量与第二量不同或比第二量小。在第三种技术中，第一量在大约50转/分钟至大约120转/分钟的范围内。
[0045]在步骤S306中，传感器115检测或测量电动机(例如，117)的转子的转速。例如，传感器115可检测转子的测得的旋转位置或角位置，主处理模块114通过所述旋转位置或角位置确定转子的转速。
[0046]在步骤S308中，数据处理器264或主定位模块确定测得的转速是否落入被滞后带调整的第一范围或第二范围之内，以识别选定的速度范围。
[0047]在步骤S310中，脉冲宽度调制生成模块112或数据处理器264根据选定的速度范围改变脉冲宽度调制(PWM)信号的切换频率。因此，脉冲宽度调制模块112和逆变器切换电路188响应于电动机(例如，117)轴126速度中的实质变化而动态地调整向电动机(例如，117)输出的切换频率或PWM频率。电动机轴126中的实质变化发生在电动机(例如，117)从一个速度范围或一个级向另一级(例如，相邻的更高的或更低的范围)变化之时。实践中，例如，PWM切换频率可从4KHz变化至3KHz，或者跨过其他适当的频谱，或跨过电动机(例如，117)的整个运转速度范围。
[0048]步骤S310可根据能够交替地或累加地施用的多种技术来执行。在第一种技术中，脉冲宽度调制生成模块112或数据处理器164依照从查找表中根据选定的速度范围和电动机的先前速度范围选定的优先切换频率改变切换频率，其中，选定的速度范围与当前速度区间有关，并且其中该先前速度范围与当前速度区间之前的先前速度区间相关。
[0049]在第二种技术中，脉冲宽度调制生成模块112或数据处理器264根据下述表达式为相应的选定的速度范围`选择切换频率，以优化接下来的相电流不平衡因子或比率:
[0050]
【权利要求】
1.一种用于控制电动机的方法，该方法包括下述步骤: 建立所述电动机的转子的转速的从第一下限至第一上限的第一范围； 建立所述转子的转速的从第二下限至第二上限的第二范围； 建立速度的滞后带或转速范围，使得在第一范围内的操作期间，所述第一上限被调整或抬高第一量以大于所述第二下限； 检测或测量所述电动机的转子的转速； 确定测得的转速是否落入被所述滞后带调整的所述第一范围或第二范围中，以确定选定的速度范围；以及 依据所述选定的速度范围改变脉冲宽度调制信号的切换频率。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 建立速度的滞后带或转速范围，使得在第二范围内的操作期间，所述第二下限被降低第二量以小于所述第一上限。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一量不同于或小于所述第二量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一量处于约50转/分钟至约120转/分钟的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 经受由所述滞后带进行的调整，将所述第一上限设定为等于所述第二下限。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 基于电动机操作的完整速度范围构建所述电动机的第三速度范围至第N速度范围，其中，N是大于或等于4的正整数；以及 对所述电动机的在所述N个速度范围内的相邻的速度范围之间的每个过渡区应用一个或多个滞后带。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述电动机运转的完整速度范围是从约O转/分钟至大于或等于4000转/分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，改变切换频率的步骤包括:根据所述转子的选定的速度范围和先前速度范围，依照从查找表中选定的优先切换频率改变所述切换频率，其中，所述选定的速度范围与当前速度区间有关，并且其中，所述先前速度范围与所述当前速度区间之前的先前速度区间有关。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，根据下述表达式选出用于相应的选定的速度范围的所述切换频率，以优化相电流不平衡因子或比率:
10.根据权利要求1所述的方法，其中，根据轴转矩波动和电动机效率要求选出用于相应的选定的速度范围的所述切换频率，以进一步优化电流波动分量。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，根据下面的方程选出用于相应的选定的速度范围的所述切换频率，以维持用于电动机的理想的频比:r.— PWM切换频率
电基频^ 其中，PWM切换频率是脉冲宽度调制频率，并且电基频是所述电动机的电基频。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述切换频率被槽谐频限制，所述槽谐频被定义为所述电动机的电基频与所述电动机的每个极对上的槽的数目的乘积，其中，所述电基频与所述转子的转速成比例。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，滞后速度带被设定在两个相邻的速度区间的边界处，使得所述第一范围的第一上限高于所述第二范围的第二下限，以避免在一系列连续的区间期间选定的切换频率之间的变化中出现抖动或突然的不连续。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 访问先前步骤选定的速度范围的上限和下限； 基于当前测得的速度确定当前速度范围，被访问的上限增加所述滞后带，并且被访问的下限被减去所述滞后带。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 依照所述选定的速度范围改变当前调整比例和积分增益。
16.—种用于控制电动机的系统,该系统包括: 数据存储装置，该数据存储装置用于存储所述电动机的转子的转速的从第一下限到第一上限的第一范围，该数据存储转置被布置成存储所述转子的转速的从第二下限至第二上限的第二范围；` 数据处理器，该数据处理器用于建立速度的滞后带或转速范围，使得在所述第一范围内的操作期间，所述第一上限被调整或抬高第一量以大于所述第二下限； 传感器，该传感器用于检测或测量所述电动机的转子的转速； 所述数据处理器适于确定测得的转速是否落入被所述滞后带调整的所述第一范围或所述第二范围，以识别选定的速度范围；以及 脉冲宽度调制生成模块，该脉冲宽度调制生成模块依据所述选定的速度范围改变脉冲宽度调制信号的切换频率。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括: 所述数据处理器设定或控制所述速度的滞后带或转速范围，使得在所述第二范围内的操作期间，所述第二下限被降低第二量以小于所述第一上限。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一量小于所述第二量。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，依据下述方程选出用于相应的选定的速度范围的所述切换频率，以优化相电流不平衡因子:IllclX (<ibs(ia—rms — ib_rms )1~ ^c_rms)?*c^rms 一【a—rms—))Illin (ia_rms, ib—rms? h jms) 其中，Iajms是测得的S相电流的相位a的均方根电流，Ib rms是测得的S相电流的相位b的均方根电流，以及i。，是测得的三相电流的相位C的均方根电流。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，根据轴转矩波动和电动机效率要求选出用于相应的选定的速度范围的所述切换频率，以进一步优化电流波动分量。
21.根据权利要求16所述的系统，其中，根据下面的方程选出用于相应的选定的速度范围的所述切换频率，以维持用于电动机的理想的频比:
22.根据权利要求16所述的系统，其中，所述切换频率被槽谐频限制，所述槽谐频被定义为所述电动机的电基频与所述电动机的每个极对上的槽的数目的乘积，其中，所述电基频与所述转子的转速成比例。
【文档编号】H02P6/14GK103828221SQ201280010332
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年2月20日 优先权日:2011年2月23日
【发明者】吴隆, 罗伯特·肖 申请人:迪尔公司