电动机的转矩控制装置和转矩控制系统的制作方法

本申请涉及机电领域，尤其涉及电动机的转矩控制装置和转矩控制系统。

背景技术：

当电动机在运转时，需要对电动机进行转矩控制，即，根据转矩指令，生成用于控制电动机运转的电流指令和电压指令，这些电流指令和电压指令被进一步运算，以控制逆变器生成用于驱动电动机的输出电流。

图1示出了现有技术中转矩控制装置的一个示意图，如图1所示，在现有的转矩控制装置中，将转矩指令乘以根据感应电动机的参数计算出的转矩系数K_t的倒数1/K_t来得到q轴电流指令值计算q轴电流的反馈信号i_q与q轴电流指令值的偏差，并对该偏差进行比例积分(PI)运算以生成q轴电压指令值从而进行转矩控制。

在进行转矩控制时，感应电动机如果被无限加速会变得危险，所以需要设定加速的速度上限值。在图1的转矩控制装置中，当感应电动机的速度超过速度上限值时，切换到根据对该速度上限值的处理进行控制。如图1所示，在根据对该速度上限值的处理进行控制时，可以计算电动机旋转速度ω_m与速度的上限值ω₁的偏差，并对该偏差进行PI运算，生成q轴电流指令值从而进行控制。

在现有的转矩控制装置中，在用于运算q轴电流指令值的转矩系数K_t中涉及到磁通信息。但是，由于磁通不能直接观测到，并且在感应电动机运行中总是变动，因此磁通成为了转矩控制精度的误差要素之一。此外，在运算逆变器的频率指令时，会将滑动频率加到根据感应电动机的旋转速度计算的频率上，但是，在运算该滑动频率中使用的感应电动机的二次电阻值也是不能直接观测的参数，因而也存在误差，所以，二次电阻值和磁通等参数的误差进行叠加，导致转矩控制的误差变大。

专利文献1(JP特开2002-199797)记载有一种永久磁铁型同步电动机的控制装置，该控制装置根据由一次电压转换的一次电压矢量、由一次电流转换的一次电流矢量以及一次电阻，来计算一次磁链矢量，根据该一次磁链矢量和一次电流矢量来计算电动机的输出转矩，对该输出转矩与转矩指令的差进行比例积分运算，对比例积分放大的值与转矩指令求和以修正转矩指令。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现要素：

本申请的发明人发现，在现有的转矩控制装置中，由于使用了无法直接测定的磁通和二次电阻值等参数，因此存在参数的误差大的问题，其结果是转矩的控制精度变差；此外，即使由于自动调谐技术的提高，会改善感应电动机的参数的检测精度，但是绕组温度上升后感应电动机的二次电阻值会变动，所以在继续使用电动机的情况下，存在与运行开始时相比转矩精度逐渐恶化的问题；另外，上述专利文献1的控制装置比较复杂，期望一种更加简易并且更加高精度的转矩控制装置。

本申请的实施例提供一种电动机的转矩控制装置和转矩控制系统，根据电动机的旋转速度和输出功率，计算电动机的转矩，并使用该计算出的转矩对输入的转矩指令进行补偿，由此，能够不依赖于感应电动机的参数，并且以简单的方式，在电动机的运行中高精度地进行转矩控制。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种电动机的转矩控制装置，其输出用于对电动机进行转矩控制的q轴电流指令值，该转矩控制装置包括：

转矩计算单元，其根据电动机的旋转速度和输出功率，计算所述电动机的转矩；q轴电流指令值计算单元，其根据转矩指令，以及所述转矩计算单元计算出的所述转矩，计算q轴电流指令值，其中，所述q轴电流指令值用于生成三相电压值，所述三相电压值控制逆变器部输出用于驱动所述电动机的输出电流。

根据本申请实施例的第二方面，其中，所述转矩控制装置还包括：

逆变器功率计算单元，其根据所述逆变器部的所述输出电流，以及所述三相电压值，计算所述逆变器部的输出功率；电动机功率计算单元，其根据所述逆变器功率计算单元计算出的所述逆变器部的输出功率，以及所述电动机的损耗，计算所述电动机的所述输出功率。

根据本申请实施例的第三方面，其中，所述电动机功率计算单元将所述逆变器部的输出功率减去所述电动机的损耗功率，得到所述电动机的所述输出功率；或者，所述电动机功率计算单元将所述逆变器部的输出功率乘以与所述电动机的输出频率对应的所述电动机的效率，得到所述电动机的所述输出功率。

根据本申请实施例的第四方面，其中，所述电动机的所述输出频率与所述电动机的所述效率之间的对应关系被表达为含有自然对数的函数。

根据本申请实施例的第五方面，其中，所述q轴电流指令值计算单元包括：第一计算单元，其根据所述转矩指令和所述电动机的转矩系数，计算初始q轴电流指令值；第二计算单元，其根据所述转矩指令和所述转矩的偏差，计算q轴电流指令修正值；修正单元，其根据所述q轴电流指令修正值和所述初始q轴电流指令值，计算所述q轴电流指令值。

根据本申请实施例的第六方面，其中，所述第二计算单元包括比例积分运算器(PI)，其对所述转矩指令和所述转矩的偏差进行比例积分运算。

根据本申请实施例的第七方面，提供一种电动机的转矩控制系统，该转矩控制系统包括如上述实施例第一方面至第六方面中任一项所述的用于输出q轴电流指令值的转矩控制装置，所述转矩控制系统还包括：三相电压计算单元，其基于所述q轴电流指令值、d轴电流指令值、q轴电流反馈值和d轴电流反馈值，计算三相电压值；逆变器部，其在所述三相电压值的控制下，将直流电力转换成用于驱动电动机的输出电流并输出给所述电动机；反馈信号生成单元，其根据所述输出电流、所述q轴电流指令值、所述d轴电流指令值和所述电动机的旋转速度，生成所述d轴电流反馈值和q轴电流反馈值。

本申请的有益效果在于：该申请能够不依赖于感应电动机的参数，并且以简单的方式，在电动机的运行中高精度地进行转矩控制。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1中示出了现有技术中转矩控制装置的一个示意图；

图2是本申请实施例1的转矩控制装置的一个组成示意图；

图3是电动机的输出频率与电动机的效率的关系示意图；

图4示出了本申请实施例1的q轴电流指令值计算单元的一个组成示意图；

图5是本申请实施例2的转矩控制系统的一个组成示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本发明的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式，相反，本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

实施例1

本申请实施例1提供一种电动机的转矩控制装置，该转矩控制装置输出用于对感应电动机进行转矩控制的q轴电流指令值，该q轴电流指令值用于生成三相电压值和并且，该三相电压值和控制逆变器部输出用于驱动电动机的输出电流i_u、i_v和i_w。本实施例中，生成三相电压指令值和并使逆变器部生成输出电流i_u、i_v和i_w以驱动电动机旋转的方法可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

图2是本实施例的转矩控制装置的一个组成示意图，如图2所示，该转矩控制装置20可以包括转矩计算单元21和q轴电流指令值计算单元22，其中：

转矩计算单元21根据电动机的旋转速度ω_m和输出功率P_m，计算该电动机的转矩T_m；q轴电流指令值计算单元22根据转矩指令以及转矩计算单元21计算出的转矩T_m，计算q轴电流指令值

在本实施例中，根据电动机的旋转速度ω_m和输出功率P_m，计算电动机的转矩T_m，并使用该计算出的转矩T_m对输入该转矩控制装置20的转矩指令进行补偿，由此，能够不依赖于感应电动机的参数，并且以简单的方式，在电动机的运行中高精度地进行转矩控制。

在本实施例中，转矩计算单元21可以采用如下的式(1)来计算转矩T_m：

在本实施例中，在对电动机进行传感器矢量控制的情况下，电动机的旋转速度ω_m可以被高精度检测，例如，可以通过脉冲发生(PG)传感器来检测电动机的旋转速度ω_m。此外，即使在不对电动机进行传感器矢量控制的情况下，也能够根据现有技术对电动机的旋转速度ω_m进行高精度的估算，该估算误差可以在1％以内。因此，转矩T_m的精度主要由电动机的输出功率P_m来决定。

电动机的输出功率P_m难以通过直接测量的方式得到，因而在本实施例中，可以通过对电动机的运行参数运算，来计算出电动机的输出功率P_m，但本实施例并不以此作为限制。

如图2所示，在本实施例中，转矩控制装置20还可以包括逆变器功率计算单元23和电动机功率计算单元24，其中：

逆变器功率计算单元23根据逆变器部的输出电流i_u和i_w，以及三相电压值和计算逆变器部的输出功率P₀；电动机功率计算单元24根据逆变器功率计算单元23计算出的逆变器部的输出功率P₀，以及电动机的损耗，计算电动机的输出功率。

在本实施例中，该逆变器功率计算单元23可以采用下述的式(2)来计算逆变器部的输出功率P₀：

P₀＝V^*_u·i_u+V^*_v·(-i_u-i_w)+V^*_w·i_w(2)

此外，通过对三相电压值和进行空载时间补偿，以及对主元件的电压下降分量进行修正，三相电压值和与实际的逆变器输出电压的基波分量的误差可以被控制在伏(V)以下，因此，采用上式(2)计算出的输出功率P₀与逆变器部的实际输出功率之间的误差较小。

当然，在本实施例中，转矩控制装置20可以具有其他的单元来计算逆变器部的输出功率P₀，例如，该其他的单元可以使用旋转坐标上的输出给逆变器部的电压指令值和逆变器部输出电流的电流检测值来计算逆变器部的输出功率P₀，但是由于感应电动机的二次电阻值误差导致在滑动运算中产生误差，进一步使旋转坐标转换中使用的相位信息产生误差，因此，会使计算出的逆变器部的输出功率P₀与实际值之间产生较大误差。

所以，在本实施例中，根据三相电压指令值和以及逆变器部的输出电流i_u和i_w，采用上式(2)计算出的逆变器部的输出功率P₀与逆变器部的实际输出功率之间的误差较小。

在本实施例中，电动机的损耗可以包括铁损和铜损，该损耗导致逆变器部的输出功率P₀与电动机的输出功率P_m之间存在差异，并且，该损耗可以由电动机的损耗功率P_loss来衡量，也可以由电动机的效率η来衡量。

在本实施例中，电动机功率计算单元24可以根据逆变器部的输出功率P₀和电动机的损耗功率P_loss来计算电动机的输出功率P_m，例如，可以将逆变器部的输出功率P₀减去电动机的损耗功率P_loss，得到电动机的输出功率P_m，如下式(3)所示：

P_loss＝P₀-P_m(3)

其中，电动机的损耗功率P_loss可以是根据电动机的铜损和铁损预先求出的值。

在本实施例中，电动机功率计算单元24也可以根据逆变器部的输出功率P₀和电动机的效率η来计算电动机的输出功率P_m，例如，可以将逆变器的输出功率P₀乘以电动机的效率η，得到电动机的输出功率P_m。

在本实施例中，电动机的效率η可以与电动机的输出频率f₀对应。可以通过如下的包含有自然对数的函数(4)来近似表达电动机的效率η与电动机的输出频率f₀之间的关系：

η＝A·log(f₀)+B(4)

其中，可以预先求出上述函数(4)中的系数A和系数B，由此，在进行电动机的转矩控制时，能够直接根据上述函数(4)和电动机的输出频率f₀，得到电动机的效率η。此外，在进行电动机的转矩控制时，用户还可以根据电动机的实际运行情况，调整系数A和系数B，从而对函数(4)的曲线进行变更，以调整转矩控制的精度。

图3是电动机的输出频率f₀与电动机的效率η的关系示意图，其中，横轴代表电动机的输出频率f₀，单位是赫兹(Hz)，纵轴代表电动机的效率η。在图3中，较粗的曲线301代表电动机的效率η与电动机的输出频率f₀实际对应关系，较细的曲线302代表上述函数(4)所对应的曲线。如图3所示，曲线301和曲线302的拟合程度较好。

图4示出了q轴电流指令值计算单元的一个组成示意图。如图4所示，q轴电流指令值计算单元22包括第一计算单元221、第二计算单元222和修正单元223，其中：

第一计算单元221根据转矩指令和电动机的转矩系数K_t，计算初始q轴电流指令值第二计算单元222根据转矩指令和转矩T_m的偏差，计算q轴电流指令修正值修正单元223根据q轴电流指令修正值和初始q轴电流指令值计算q轴电流指令值

在本实施例中，第一计算单元221可以将转矩指令和电动机的转矩系数K_t的倒数1/K_t相乘，得到初始q轴电流指令值第二计算单元222可以包括比例积分运算器，其对转矩指令和转矩T_m的偏差进行比例积分运算，以得到q轴电流指令修正值修正单元223可以是加法器，将q轴电流指令修正值和初始q轴电流指令值相加，得到q轴电流指令值

此外，q轴电流指令值计算单元22还可以具有减法器224，用于计算转矩指令和转矩T_m的偏差。

如图4所示，该q轴电流指令值计算单元22还可以包括切换单元225、减法器226、以及比例积分运算器227，其中：

切换单元225能够在电动机的旋转速度ω_m大于速度的上限值ω₁时接收切换指令并进行切换，以使得根据速度的上限值ω₁来控制q轴电流指令值减法器226用来计算电动机的旋转速度ω_m与速度的上限值ω₁之间的偏差；比例积分运算器227用于对旋转速度ω_m与速度的上限值ω₁之间的偏差进行比例积分计算。

在本实施例中，如图4所示，可以通过减法器228计算q轴电流指令值计算单元22所生成的q轴电流指令值与q轴电流的反馈信号i_q之间的偏差，并由比例积分运算器229对该偏差进行比例积分运算，以形成q轴电压指令值用于对电动机进行控制

在本实施例中，根据电动机的旋转速度和输出功率，计算电动机的转矩，并使用该计算出的转矩对输入的转矩指令进行补偿，由此，能够不依赖于感应电动机的参数，并且以简单的方式，在电动机的运行中高精度地进行转矩控制。

实施例2

本申请实施例2提供一种电动机的转矩控制系统，用于对电动机进行转矩控制。该转矩控制系统包括实施例1所述的转矩控制装置。

图5是本实施例的转矩控制系统的一个组成示意图，如图5所示，该转矩控制系统500包括转矩控制装置501、三相电压计算单元502、逆变器部503以及反馈信号生成单元504。其中：

转矩控制装置501用于生成q轴电流指令值三相电压计算单元502基于q轴电流指令值d轴电流指令值q轴电流反馈值i_q和d轴电流反馈值i_d，计算三相电压值和逆变器部503在三相电压值和的控制下，将直流电力转换成用于驱动电动机106的输出电流i_u、i_v和i_w并输出给电动机106；反馈信号生成单元504根据输出电流i_u和i_w，q轴电流指令值d轴电流指令值和电动机106的旋转速度ω_m，生成q轴电流反馈值i_q和d轴电流反馈值i_d。

下面，结合附图5对转矩控制系统500的各单元进行说明。

在本实施例中，转矩控制装置501对应于实施例1的转矩控制装置20。如图5所示，转矩控制装置501包括q轴电流指令值运算器118、逆变器输出运算器121和转矩运算器122。

q轴电流指令值运算器118根据转矩指令以及由转矩运算器122计算出的电动机的转矩T_m，计算q轴电流指令值对应于实施例1的q轴电流指令值计算单元22；逆变器输出运算器121根据三相电压值和和输出电流i_u和i_w计算逆变器部的输出功率P₀，对应于实施例1的逆变器功率计算单元23；转矩运算器122根据逆变器部的输出功率P₀、电动机106的旋转速度ω_m和电动机的输出频率f₀，计算电动机的转矩T_m，对应于实施例1的转矩计算单元21和电动机功率计算单元24。

在本实施例中，三相电压计算单元502可以包括：d轴电流偏差运算器114、d轴电流PI控制器115、dq/2相坐标转换器116、2相/3相坐标转换器117、q轴电流偏差运算器119、以及q轴电流PI控制器120。

d轴电流偏差运算器114用于计算d轴电流指令值和d轴电流反馈信号i_d之间的偏差；d轴电流PI运算器115用于对d轴电流偏差运算器114计算出的偏差进行比例积分运算，以得到d轴电压指令值q轴电流偏差运算器119用于计算q轴电流指令值和q轴电流反馈信号i_q之间的偏差；q轴电流PI控制器120用于对q轴电流偏差运算器119计算出的偏差进行比例积分运算，以得到q轴电压指令值dq/2相坐标转换器116根据电动机106的旋转相位θ，将d轴电压指令值和q轴电压指令值转换为2相电压指令值和2相/3相坐标转换器117用于将2相电压指令值和转换为三相电压值和

在本实施例中，逆变器部503可以包括PWM脉冲信号生成器105和逆变器104，其中，PWM脉冲信号生成器105根据三相电压值和生成脉冲控制信号，逆变器104根据该脉冲控制信号，将直流电力转换成输出电流i_u、i_v和i_w，以供给到感应电动机106，其中，该输出电流i_u、i_v和i_w构成三相交流电流。

在本实施例中，该反馈信号生成单元504可以包括：3相/2相坐标转换器109，用于将输出电流i_u和i_w的值转换为2相电流i_α和i_β的值；2相/dq坐标转换器110用于根据电动机106的旋转相位θ，将2相电流i_α和i_β的值转换为q轴电流反馈值i_q和d轴电流反馈值i_d；滑动运算器111根据q轴电流指令值和d轴电流指令值计算滑动角速度ω_s；滑动频率加法器112用于将滑动角速度ω_s与电动机106的旋转速度ω_m相加，形成合成角速度ω_e；积分器113对合成角速度ω_e进行积分运算，以得到电动机106的旋转相位θ。

此外，如图5所示，在本实施例中，转矩控制系统500还可以具有：脉动发生(PG)传感器107，其用于对电动机106的旋转进行检测，以得到电动机106的旋转速度ω_m；电流传感器108，其可以用于检测输出电流i_u、i_v和i_w的值；三相交流电源101，用于提供三相交流电压；二极管整流电路102，用于将三相交流电压转换成直流电压；平滑电路103，用于对二极管整流电路102所转换成的直流电压进行滤波。

根据本实施例的转矩控制系统，能够不受感应电动机的参数的影响，在电动机的运行过程中，对电动机进行高精度的转矩控制。

在本申请的实施例1和实施例2中，该电动机可以是感应电动机，但本申请并不限于此，该电动机也可以是其他类型。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。