專利名稱：低速同步電機驅(qū)動操作的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電動機，并且更具體地涉及電動機的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
同步交流(AC)電機(motor)通常使用正弦電流波形進行操作。對于 具有正弦反電動勢輪廓(profile)的機器而言，正弦電流波形導(dǎo)致平 滑的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。已經(jīng)建議用方形或梯形電流波形進行AC電機的操作以 增加電機的轉(zhuǎn)矩輸出，同時保持峰值電流應(yīng)力。不過，這些方法承認在 高速操作時利用正常的正弦電流波形的優(yōu)勢。通常，梯形電流波形或方 形電流波形和標(biāo)準(zhǔn)正弦操作之間的過渡在預(yù)定的電機速度下發(fā)生。由于 從梯形操作到正弦操作或從正弦操作到梯形操作的突然過渡，這種過渡 可能是有問題的。
因此，希望提供一種用于產(chǎn)生梯形電流并將梯形電流以無縫方式并 入到同步電機控制結(jié)構(gòu)中的方法及裝置。此外，希望給出一種提供增強 的低速同步電機控制同時保持較高速時的魯棒電機控制的同步電機控 制方法。而且，根據(jù)后文的詳細描述及所附的權(quán)利要求書并結(jié)合附圖和 上文的技術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)背景，本發(fā)明的其它可取特征和特性將會變得顯 而易見。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種用于在低速時提供轉(zhuǎn)矩提升(torque boost)的電動機 系統(tǒng)。該電動機系統(tǒng)包括交流(AC)同步電動機，逆變器和控制器。該 逆變器被耦合到AC同步電動機，并因此提供電控制?？刂破鬟B接到逆 變器，并向逆變器提供操作控制信號以操作該電動機?？刂破靼ㄞD(zhuǎn)矩 命令增益塊，該轉(zhuǎn)矩命令增益塊響應(yīng)于檢測的電動機速度來更改轉(zhuǎn)矩命 令以產(chǎn)生經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號，根據(jù)響應(yīng)于轉(zhuǎn)矩命令而計算的轉(zhuǎn)矩相關(guān)比 例因子更改轉(zhuǎn)矩命令以定義所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號。
提供了一種用來產(chǎn)生控制交流(AC)同步電機的控制信號的方法。 該方法包括響應(yīng)于交流同步電機的速度來更改轉(zhuǎn)矩命令以產(chǎn)生經(jīng)提升
的轉(zhuǎn)矩信號；響應(yīng)于經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生用于為交流同步電機的操作 控制信號，以在低速時向交流同步電機提供轉(zhuǎn)矩提升。


下面將結(jié)合下列附圖描述本發(fā)明，圖中相同的數(shù)字指示相同的元件， 并且
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的電動機驅(qū)動系統(tǒng)；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的電動機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩對速度的曲線
圖3示出了圖1的電動機系統(tǒng)的相電流波形和相電流最大絕對值的 曲線圖4示出了圖1的電動機系統(tǒng)的最大電流利用所需的相電流波形和 相電流增益的曲線圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例提供轉(zhuǎn)矩提升的相電流波形的曲線
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電動機系統(tǒng)的空間矢量圖； 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1的電動機驅(qū)動系統(tǒng)的方框圖； 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩提升的波形； 圖9示出了圖1的電動機系統(tǒng)的未經(jīng)提升的波形； 圖IO示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于圖1的電動機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩提升 波形；和
圖ll示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的操作圖1的電動機系統(tǒng)的控制器的 流程圖。
具體實施例方式
以下詳細描述本質(zhì)上只是示例性的，并不打算限制本發(fā)明或本發(fā)明 的應(yīng)用和用途。而且，并不打算受前面的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi) 容或下文詳細描述中提出的任何明示或暗示的理論的束綽。
參考圖1，根椐本發(fā)明實施例的電動機系統(tǒng)100包括三相交流(AC) 同步電機(electric machine ) 110，如同步磁阻式電機或永磁電動機， 其響應(yīng)于來自逆變器120的信號工作。為電動機110提供電控制的逆變 器120連接在電源140的直流(DC)總線135之間。逆變器120包括諸
如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的晶體管122-127,并響應(yīng)于從控制器150 到其柵極的信號進行操作以向電機110的每一相115提供電壓，每個晶 體管對122/125， 123/126以及124/127形成逆變器120的相腳(phase leg)。
分解器(resolver ) 164 (或類似的感測設(shè)備)耦合到電機110以測 量電動機的轉(zhuǎn)子位置和其速度。分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (resolver-to-digital converter ) 165將來自分解器164的信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號，并將AC同步電動機110的轉(zhuǎn)子的角位置和速度的那些數(shù) 字表示提供給控制器150。
根據(jù)該實施例，控制器150包括轉(zhuǎn)矩命令增益塊160、轉(zhuǎn)矩相關(guān)比 例因子塊164和電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166。電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166 的輸出被耦合到晶體管122-127的每一個的柵極，以將電機控制信號作 為晶體管122-127的操作控制信號提供給逆變器120。
轉(zhuǎn)矩控制信號(轉(zhuǎn)矩命令T* )被提供給轉(zhuǎn)矩命令增益塊160的輸入。 轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164也被耦合以接收用來檢測轉(zhuǎn)矩命令1"*的轉(zhuǎn)矩 控制信號。轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164包括比例因子計算器170和低速檢 測器172。低速檢測器172被連接到分解器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器165以接收表示 電機110的速度的數(shù)字信號，并響應(yīng)于確定電機110的速度低于預(yù)定速 度而將低速信號提供給比例因子計算器170以將其激活。比例因子計算 器170接收轉(zhuǎn)矩命令、來自低速檢測器172的低速信號，以及來自電流 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166的電流命令信號，并響應(yīng)于包括所檢測的轉(zhuǎn)矩命 令在內(nèi)的這些信號計算轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子。比例因子計算器17 0向轉(zhuǎn)矩 命令增益塊160提供表示轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子的經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號， 以響應(yīng)于低速信號對轉(zhuǎn)矩命令進行更改從而產(chǎn)生經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號。
電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166接收來自電機110的每一相115的電流 信號，并且根椐本實施例，電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166響應(yīng)于從轉(zhuǎn)矩命 令增益塊160接收的經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩控制信號來更改電機110的各相115 的電流以產(chǎn)生提供給逆變器120的操作控制信號。
因此，操作控制信號將由經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號表示的增益施加到命令 信號/電壓，該命令信號/電壓被施加到晶體管122-127的柵極。因此， 根據(jù)本實施例，電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166接收每一相115的電流，并 響應(yīng)于經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號更改該電流以向操作控制信號提供適當(dāng)?shù)脑?br> 益，同時在接近0速度的極限情況(limiting case)中，通過藉由轉(zhuǎn) 矩相關(guān)比例因子塊164產(chǎn)生的經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號更改轉(zhuǎn)矩命令將轉(zhuǎn) 矩提升并入到控制結(jié)構(gòu)中(即，當(dāng)?shù)退贆z測器172產(chǎn)生的低速信號表示 所檢測的速度小于預(yù)定速度時)。
參考圖2，轉(zhuǎn)矩對速度曲線圖200示出了在電動機系統(tǒng)100的速度 接近0的極限情況下，控制器150的操作是如何更改轉(zhuǎn)矩命令的。曲線 圖200在軸210上描繪由低于基本速度運轉(zhuǎn)的電動機系統(tǒng)IOO產(chǎn)生的轉(zhuǎn) 矩，并且在軸220上描繪電機110的速度，其中O速度繪制在點225處。 通常給具有正弦分布繞組115的同步電機(如110)饋送產(chǎn)生具有最小 紋波的平滑轉(zhuǎn)矩的正弦波定子電流波形。如圖200所示，在基本速度以 下，最大轉(zhuǎn)矩相對于速度大致是恒定的，并且受到逆變器120的均方根 (RMS)電流容量(current capacity)的限制。這^皮稱為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。
然而，在非常低的速度下，如在點227處繪制的低速下，可能需要 對轉(zhuǎn)矩進行限制以保護晶體管122-127,原因是在低速下，驅(qū)動的最大 轉(zhuǎn)矩容量是由晶體管122-127的熱極限決定的。當(dāng)以正弦方式驅(qū)動電機 110時受限制的轉(zhuǎn)矩極限在線230上示出。
在停轉(zhuǎn)(at stall )時，當(dāng)峰值相電流與逆變器120的相腳對上(line up with)時，最壞的情況出現(xiàn)。在此情況下，要求逆變器120的相腳 連續(xù)地傳送峰值電流，因此對于正弦類型的電機，在停轉(zhuǎn)時，選擇峰值 相電流以最大化晶體管122-127的結(jié)溫。這可以顯著地減小來自恒轉(zhuǎn)矩 區(qū)中可用的正常峰值轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩230。在幾赫茲基頻之上，晶體管 122-127的熱時間常數(shù)相對于基本電頻率變得相對較大，并且電流極限 可以纟皮提高到正常RMS值。
轉(zhuǎn)矩額定值降低到(torque derating )接近停轉(zhuǎn)帶來的結(jié)果是電機 轉(zhuǎn)矩極限230在0速度周圍具有一凹槽(notch ) 235。轉(zhuǎn)矩極限凹槽235 可能給要求來自O(shè)速度的大轉(zhuǎn)矩的電動機系統(tǒng)100帶來幾個問題。例如， 一些電動機系統(tǒng)沒有回動齒輪，所以在反向方向上系統(tǒng)依靠電機110的 轉(zhuǎn)矩來推進車輛。為了滿足有難度的反向坡度規(guī)格(reverse grade specification),要求電機110從0速度并在每分鐘轉(zhuǎn)速(RPM )低的 情況下，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。這個要求與轉(zhuǎn)矩極限凹槽235沖突。為了補償 降低的低速轉(zhuǎn)矩，電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制^=莫塊166向逆變器120提供操作控 制信號，在停轉(zhuǎn)時該操作控制信號具有并入在其中的最大轉(zhuǎn)矩提升量，
當(dāng)速度接近凹槽斷點時轉(zhuǎn)矩提升漸漸停止，如轉(zhuǎn)矩提升輪廓240所示。
轉(zhuǎn)矩提升輪廓240是響應(yīng)于由轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164所產(chǎn)生的經(jīng)
縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號而產(chǎn)生的。根據(jù)本發(fā)明，除了提供轉(zhuǎn)矩提升輪廊240
之外，與轉(zhuǎn)矩命令增益塊160和電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166結(jié)合操作的
轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164簡單且易于集成到現(xiàn)有的電機控制結(jié)構(gòu)中。轉(zhuǎn)
矩控制信號(轉(zhuǎn)矩命令T* )被提供給轉(zhuǎn)矩命令增益塊160的輸入。如下
文詳細描述的，轉(zhuǎn)矩命令增益塊160響應(yīng)于由轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164
所產(chǎn)生的經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號，更改轉(zhuǎn)矩控制信號以產(chǎn)生經(jīng)提升的轉(zhuǎn)
矩控制信號，用于通過電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166對提供給逆變器120
的操作控制信號進行波形整形。因此，控制器150通過由電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩
控制模塊166更改和/或操縱用于波形整形的轉(zhuǎn)矩命令提供對AC同步電
機110的增強的低速控制，同時保持在較高速度時對其的魯棒控制。雖
然響應(yīng)于用于波形整形的轉(zhuǎn)矩命令的更改或操縱實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩提升輪廓
240，但根據(jù)本實施例通過操縱同步參考坐標(biāo)系(即，兩個直流(DC)
量)或靜止參考坐標(biāo)系(即，三個正弦AC電流)中的信號由電流調(diào)節(jié)
轉(zhuǎn)矩控制模塊166更改提供給晶體管122， 123， 124， 125, 126， 127
的柵極的操作控制信號(即，電壓命令)也可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩提升輪廓240。
參考圖3，電動機系統(tǒng)100的相電流波形310, 320， 330和相電流
最大絕對值340的曲線圖300顯示由晶體管122-127響應(yīng)于來自電流調(diào)
節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166的操作控制信號而產(chǎn)生的并一般被施加到電機110
的正弦繞組115的正弦波電流。在低速條件下，由于晶體管的熱約束必
須被限制的峰值電流是在等式1中定義的相電流最大絕對值340。
IBax=max [abs (I,) ， abs (Ib) ，abs(U]1]
從I阻的曲線圖340可以看出，僅在電機110的6個轉(zhuǎn)子位置處相
電流會達到峰值。大部分時間硅是利用不足的。在利用不足的區(qū)域增加 轉(zhuǎn)矩命令會增加平均轉(zhuǎn)矩產(chǎn)出。
圖4描繪了相電流波形310, 320和330。此外，還顯示了轉(zhuǎn)矩提升 410。轉(zhuǎn)矩提升410是可被直接施加給相電流而不引起峰值電流壓力增 大的最大增益。雖然轉(zhuǎn)矩提升410可被直接施加到相電流，但根據(jù)本實 施例，轉(zhuǎn)矩命令T—皮轉(zhuǎn)矩命令增益塊160更改，并且電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制 才莫塊166響應(yīng)于來自轉(zhuǎn)矩命令增益塊160的經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號更改來自 電機110的各相115的電流，其中增益的比例由來自轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子
塊164的經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號調(diào)節(jié)，以反映電機110的特定的每安培 轉(zhuǎn)矩比率(torque per a即ratio)。轉(zhuǎn)矩提升410是用來在低速時更 改轉(zhuǎn)矩命令的位置相關(guān)增益。因此，轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164響應(yīng)于來 自低速檢測器172的低速信號操作。此外，該增益是由轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因 子塊164作為速度的函數(shù)縮放的，轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164響應(yīng)于來自 比例因子計算器170的比例信號產(chǎn)生經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號。使用來自 轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164的經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號，響應(yīng)于經(jīng)提升的轉(zhuǎn) 矩信號而操作的電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166無縫地將轉(zhuǎn)矩提升410合并 到正弦操作控制信號中。轉(zhuǎn)矩提升410以增加的轉(zhuǎn)矩紋波為低價增大了 平均轉(zhuǎn)矩。使用本實施例的方法可以有利地提供最大4， 9%的平均轉(zhuǎn)矩提升。
參考圖5,曲線圖500顯示了范圍從波形510上所示的0增益(意 味著沒有轉(zhuǎn)矩提升)到波形560上所示的全提升(此時轉(zhuǎn)矩提升比例因 子為1 )的不同轉(zhuǎn)矩提升量的相電流波形510， 520， 530， 540, 550和 560,其中提升增益由本文下面部分所描述的導(dǎo)出。不管轉(zhuǎn)矩提升的量 如何，提供給晶體管122-127的峰值電流應(yīng)力保持在線570處。因此， 曲線圖500顯示了當(dāng)轉(zhuǎn)矩提升從0到l縮放時，由電動機110所產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)矩增大，而逆變器120的晶體管122-127的峰值電流應(yīng)力并不增大。 當(dāng)轉(zhuǎn)矩提升比例因子是如相電流波形560描繪的1時，由相電流提供的 平均轉(zhuǎn)矩是單純由正弦相電流波形(即，轉(zhuǎn)矩提升比例因子為0時的相 電流波形510)提供的轉(zhuǎn)矩的104. 9%。
參考圖6,它顯示了靜止參考坐標(biāo)系600中的定子電流空間矢量610。 定子電流矢量610以圓形方式旋轉(zhuǎn)。靜止參考坐標(biāo)系600的平面被分解 成6個60度的扇區(qū)620, 622， 624， 626, 628， 630，每個扇區(qū)或者與 正相軸線對齊，或者與負相軸線對齊。
參考圖7,它描繪了用來執(zhí)行根據(jù)本實施例的計算功能的示例性電 路塊。 一開始，計算扇區(qū)內(nèi)的定子電流矢量610的角度6扇"當(dāng)使用測 量的相115的電流對定子電流矢量的角度的計算進行，量時，來自電流 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166的同步坐標(biāo)系電流命令《和《被提供給比例因 子計算器170的反正切塊704以使用無噪聲電流信號。反正切塊704確 定同步參考坐標(biāo)系中的定子電流位置。該值在加法器706處與來自分解 器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器165的轉(zhuǎn)子角位置^相加得到靜止參考坐標(biāo)系中的定子
電流矢量610的角度e^。該值被提供給計算扇區(qū)內(nèi)的定子電流矢量
610的角度6a的定子電流矢量扇區(qū)塊708。
之后最大轉(zhuǎn)矩提升塊710作為位置的函數(shù)計算最大轉(zhuǎn)矩提升Km,x,如 等式2中所示。
然后可以按需要對最大增益進行比例縮放以逐漸達到(phase in) 或逐漸停止(phase out)轉(zhuǎn)矩提升。根據(jù)本實施例，由比例因子計算 器170作為速度的函數(shù)對轉(zhuǎn)矩提升進行比例縮放。等式3顯示了由低速 檢測器172計算的比例因子K速度，比例因子計算器170采用比例因子來 根據(jù)本實施例作為速度的函數(shù)來調(diào)節(jié)增益，這里K速度從O到1變化。K速 度值為G表明低速檢測器已經(jīng)檢測到速度處于或大于用來確定何時提供 轉(zhuǎn)矩提升信號的預(yù)定速度。<formula>formula see original document page 11</formula> [3]
當(dāng)量m abs (nr)小于1時，低速檢測器172已經(jīng)檢測到速度低于 用來確定何時提供轉(zhuǎn)矩提升信號的預(yù)定速度。變量m由低速檢測器172 用來定義經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號的轉(zhuǎn)矩提升輪廓240 (圖2)的斜率。等式4 表示變量m的推導(dǎo)，這里iv^是轉(zhuǎn)矩提升被完全逐漸停止時的預(yù)定速度 (即，這里n^是電機110的預(yù)定速度，在該速度之下，由低速檢測器 172提供給比例因子計算器170的低速信號K速度不等于0)。
<formula>formula see original document page 11</formula> [4]
因此，根據(jù)轉(zhuǎn)矩提升輪廓240的斜率m,在預(yù)定速度iv自處及其上， 相電流是正常的正弦形狀，即從轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊16A提供給轉(zhuǎn)矩命 令增益塊160的信號是l，結(jié)果電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166向逆變器120 提供三相控制信號，使得電機相電流本質(zhì)上是正弦的。
根據(jù)本實施例，轉(zhuǎn)矩命令T^由轉(zhuǎn)矩命令限制器塊711限制在最大轉(zhuǎn) 矩值范圍之內(nèi)，以防止對逆變器120造成損害，這里最大轉(zhuǎn)矩T^是由 等式5確定的。由圖5看出，如由相電流波形560描繪的轉(zhuǎn)矩提升比例
因子可以提供的平均轉(zhuǎn)矩是由單純的正弦相電流波形提供的轉(zhuǎn)矩的 104.9%。額定最大轉(zhuǎn)矩T阻，是可以用來更改給逆變器的晶體管 122， 123, 124， 125， 126， 127的操作信號用于正弦相電流而不造成損
害的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)等式5，由限制器711限制的轉(zhuǎn)矩命令h的絕對值范圍 內(nèi)的值T_可以延伸到由比例因子K速度縮放回的T_，的104. 9%的值。 T固-乙x， ( 1+0. 049 K速度) [5] 再次參考比例因子計算器170,轉(zhuǎn)矩相關(guān)性預(yù)計算塊712計算值KUn, 當(dāng)轉(zhuǎn)矩增益被提升時，值K^平滑地并入并維持轉(zhuǎn)矩線性。Ku。的計算在 等式6中顯示。Kun的值為根據(jù)本實施例提供的轉(zhuǎn)矩提升提供轉(zhuǎn)矩相關(guān) 性。因此，當(dāng)受限制的轉(zhuǎn)矩命令Tu,'的絕對值小于或等于額定最大轉(zhuǎn)矩 T—時,Ku。的值為0 (即，當(dāng)ITu,'l等于T 時，Kun的分子等于0)。 在等式6中，d是常數(shù)以防止在K速度等于O的情況下分數(shù)方程的分母變 成0。
:i口果(I Tu/1 <Tmax.no ) 否則=
T
^Lim
max "。m
0.049.尺速度.乙，
等式7提供由轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊714計算的最終提升增益(即， 經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號)，其中轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子K提升用來更改轉(zhuǎn)矩命 令。電機的轉(zhuǎn)矩每安培比率K^"用來校正從轉(zhuǎn)矩命令到相電流的增益， 這里K速度與Kt—之比是用來確定K M將提供給受限制的轉(zhuǎn)矩命令Tu/的 增加超過100%的因子。
以上所有的計算都可以由比例因子計算器170以與控制器150處理 轉(zhuǎn)矩命令的速率相同的速率來進行，其通常是在比電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模 塊166提供的電流調(diào)節(jié)控制低的速率下完成的。因此，對控制器150的 計算影響相對小。以此方式，由電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166所產(chǎn)生的操 作控制信號是根據(jù)由比例因子計算器170計算的速度相關(guān)比例因子定義 的，并作為經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號提供給轉(zhuǎn)矩命令增益塊160。
電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166包括三相到二相變換塊716和靜止同步 變換塊718，三相到二相變換塊716使用來自三相115 (或可以由其確 定三個電流值的其中兩相)的電流來產(chǎn)生在靜止參考坐標(biāo)系中的兩相電 流厶和^，靜止同步變換塊718將電流、和^變換成同步參考坐標(biāo)系中 的電流值^和；，這里根據(jù)本實施例DC電流值能更加容易地計算操作
控制信號。
轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子K提升從比例因子計算器170提供給轉(zhuǎn)矩命令增益 塊160以產(chǎn)生經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩命令信號T"。電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166的 最佳電流命令確定塊720根據(jù)經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩命令信號T"々生同步參考 坐標(biāo)系中的兩個電流命令《和《。如上所述，信號《和《被提供給比
例因子計算器170以計算電流矢量的角度e"。此外，電流命令《和《
在d相加法器722和q相加法器724處分別與電流值^和^組令以產(chǎn)生 電流誤差信號。同步坐標(biāo)系電流調(diào)節(jié)器726產(chǎn)生電壓為乙8和^V的同步
坐標(biāo)系操作信號。 ， .
同步靜止變換塊*728 ,同步坐標(biāo)系操作信號^V'和「7轉(zhuǎn)換成兩個靜 止坐標(biāo)系操作信，「"'和^'。兩相到三相變換塊730將兩個靜止坐標(biāo)系 操作信號^和 < 轉(zhuǎn)換成三相電壓操作信號^和^和^以提供給逆變器 120的相應(yīng)三個相腳122/125, 123/126和124/127。以此方式，用于逆 變器120的操作控制信號響應(yīng)于經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號T"而產(chǎn)生，以在低速 時向AC同步電機110提供轉(zhuǎn)矩提升。
參考圖8，曲線圖800顯示用來產(chǎn)生經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號的波形。 以恒定速度運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子角位置810是斜坡波形。定子電流位置820是 由波形810偏移一個對應(yīng)于控制角度的固定量得到的。從定子電流位置 820確定扇區(qū)620, 622, 624， 626， 628或630 (圖6)，如波形830顯 示的。之后可以作為每個扇區(qū)820內(nèi)的角度(的函數(shù)計算最大增 益840。
由于只在電動機系統(tǒng)100的最大轉(zhuǎn)矩極限時才需要轉(zhuǎn)矩提升函數(shù)， 所以根據(jù)本實施例在較低轉(zhuǎn)矩水平時通過比例因子計算器170將該特征 禁用，比例因子計算器170響應(yīng)于如等式6中描述的受限制的轉(zhuǎn)矩命令 Tu,'而操作。另外，在預(yù)定的速度窗內(nèi)通過比例因子K速度(這里預(yù)定的 速度窗包括凹槽235 (圖2))使能轉(zhuǎn)矩提升?？商娲?，不是試圖通 過計算Kun來維持線性，而是可以使用閾值和受限制的轉(zhuǎn)矩命令到比例 因子計算器170的滯后函數(shù)來防止當(dāng)使能和禁用比例因子計算器170時 經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號出現(xiàn)不必要的振蕩(如轉(zhuǎn)矩紋波)。
參考圖9，曲線圖900顯示提供給逆變器120的未經(jīng)提升的正弦波 形910， 920和930,其中在線940上顯示轉(zhuǎn)子位置，線950表示峰值電 流值。圖10的曲線圖1000顯示波形1010, 1020和1 030,其中轉(zhuǎn)矩提
升由大于0且小于1 (即，小于圖9和圖IO描繪的例子的全轉(zhuǎn)矩提升) 的K速度值使能。波形1010, 1020, 1030本質(zhì)上是準(zhǔn)正弦的，接近梯形 類型的形狀。峰值電流值1040與圖9中所示的未經(jīng)提升的峰值電流值 950相同，而在此例子中平均轉(zhuǎn)矩已經(jīng)增加了 3.6%。
因此，已經(jīng)使峰值電流應(yīng)力保持恒定，同時通過增加RMS電流值晶 體管122-127的使用已經(jīng)得到改進。因此，根據(jù)本實施例，低速平均轉(zhuǎn) 矩的4. 9%的增加可以在不增加晶體管122-127的硅中的峰值應(yīng)力的情 況下逐漸達到。此外，根據(jù)本實施例的電動機系統(tǒng)100提供的轉(zhuǎn)矩提升 解決方案可以簡單地以最小的計算開銷并入到現(xiàn)有的電動機系統(tǒng)控制 結(jié)構(gòu)中。
應(yīng)認識到上面將根據(jù)本實施例的控制器150描述為包括諸如轉(zhuǎn)矩命 令增益塊160，轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164和電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊166 的功能塊，這里轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子塊164包括比例因子計算器170和低 速檢測器172的附加功能塊。雖然控制器150的一些或全部功能塊可以 在包括唯一存儲的程序指令在內(nèi)的處理器中實現(xiàn)，其中該程序指令控制 處理器執(zhí)行圖1中所示功能塊的功能，但也可以在一個或多個專用集成 電路(ASIC)中實現(xiàn)控制器150，其中每個功能或特定功能的一些組合 被實現(xiàn)為定制邏輯或被實現(xiàn)為沒有存儲程序指令的狀態(tài)機?？商娲?， 可以使用這些方法的組合。
因此，圖11中描述的流程圖1100示出了 了根據(jù)本實施例的轉(zhuǎn)矩提 升例程操作控制器150的軟件流程。希望本領(lǐng)域技術(shù)人員在受到本文以 上部分所公開的思想和原理的教導(dǎo)后，能以最少次實驗很容易地實現(xiàn)產(chǎn) 生這類軟件指令和程序的控制器150。
根據(jù)本實施例的轉(zhuǎn)矩提升例程對控制器150的操作開始于定義T'等 于所接收的轉(zhuǎn)矩命令(步驟1102)，并定義m等于所檢測的AC同步電 動機110的速度(步驟1104)。如果電動機110的速度不小于預(yù)定低速 度(步驟1106)，則控制器150響應(yīng)于轉(zhuǎn)矩命令T'更改AC同步電動機 110的相電流以產(chǎn)生控制電機110的操作控制信號(步驟1108)。操作 控制信號之后被提供給逆變器120的晶體管122-127的柵極(步驟 1118)。
當(dāng)電動機UO的速度小于預(yù)定低速度時(步驟1106),計算轉(zhuǎn)矩相 關(guān)比例因子(K提升)(步驟1112),并通過用轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子乘以轉(zhuǎn)
矩命令計算經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號(步驟1114)。之后響應(yīng)于經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩 信號更改AC同步電動機110的相電流以產(chǎn)生操作控制信號(步驟1116), 并且操作控制信號被提供給逆變器120的晶體管122-127的柵極(步驟 1110)。如上所述，在步驟1108， 1116中AC同步電動機110的相電流 的更改是通過藉由與未提升或經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩命令對應(yīng)的同步坐標(biāo)系電 流命令來更改同步參考坐標(biāo)系中的相電流而實現(xiàn)的。
盡管在前述詳細描述中已經(jīng)給出了示例性實施例，但應(yīng)該認識存在 大量變型。還應(yīng)該認識示例性實施例只是例子，并不旨在以任何方式限 制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用性或配置。相反，前述詳細描述將給本領(lǐng)域技術(shù) 人員提供實施示例性實施例或其它實施例的便利指導(dǎo)。應(yīng)該理解在不偏 離由所附權(quán)利要求書和其法律等同物所限定的本發(fā)明的范圍的情況下， 在元件的功能和布置方面可作出各種變化。
權(quán)利要求
1. 一種用來產(chǎn)生控制交流同步電機的控制信號的方法，該方法包括以下步驟響應(yīng)于交流同步電機的速度更改轉(zhuǎn)矩命令來產(chǎn)生經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號；響應(yīng)于所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生用于所述交流同步電機的操作控制信號，以在所述交流同步電機的速度被確定為低于預(yù)定速度時向所述交流同步電機提供轉(zhuǎn)矩提升。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括確定所述交流同步電 機的速度是否低于所述預(yù)定速度的步驟，其中所述更改轉(zhuǎn)矩命令的步驟 包括以下步驟響應(yīng)于所迷轉(zhuǎn)矩命令計算轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子；和當(dāng)所述交流同步電機的速度被確定為低于所述預(yù)定速度時，響應(yīng)于號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所迷的方法，其中產(chǎn)生用于所述交流同步電機 的操作控制信號的步驟包括響應(yīng)于所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生用于所 述交流同步電機的操作控制信號以向所述交流同步電機提供轉(zhuǎn)矩提升 的步驟，其中所述轉(zhuǎn)矩提升是響應(yīng)于所述轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子而提供的。
4. 根椐權(quán)利要求2所迷的方法，其中產(chǎn)生用于所述交流同步電機 的操作控制信號的步驟包括以下步驟當(dāng)所述交流同步電機的速度被確定為低于所述預(yù)定速度時，響應(yīng)于 所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生用于所述交流同步電^/L的操作控制信號；和時，:應(yīng)于所^;i矩命令產(chǎn)生用于所述交流同步電^幾的操作控制信號。
5. —種向交流同步電機提供轉(zhuǎn)矩的方法，包括以下步驟 檢測交流同步電機的速度；響應(yīng)于所檢測的速度計算轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子；和 響應(yīng)于所檢測的速度，向所述交流同步電機提供轉(zhuǎn)矩提升，所述轉(zhuǎn) 矩提升是響應(yīng)于所述轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子確定的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所迷的方法，其中提供轉(zhuǎn)矩提升的步驟包括響 應(yīng)于確定所檢測的速度低于預(yù)定速度向所述交流同步電機提供所述轉(zhuǎn) 矩提升的步驟。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中提供轉(zhuǎn)矩提升的步驟包括以 下步驟產(chǎn)生經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號；響應(yīng)于所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生操作控制信號；和 向所述交流同步電機提供所述操作信號以向其提供所述轉(zhuǎn)矩提升。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中產(chǎn)生經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號的步矩信號的步驟。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中產(chǎn)生操作控制信號的步驟包 括響應(yīng)于所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號和所述交流同步電機的相電流產(chǎn)生所 述操作控制信號的步驟。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中產(chǎn)生操作控制信號的步驟包 括響應(yīng)于所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號更改與所述交流同步電機的相電流對 應(yīng)的同步參考坐標(biāo)系電流以產(chǎn)生所述操作控制信號的步驟。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中檢測交流同步電機的速度 的步驟包括確定所述交流同步電機是否正低于預(yù)定速度運轉(zhuǎn)以向所迷 交流同步電機提供轉(zhuǎn)矩提升的步驟。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中更改同步參考坐標(biāo)系電流 的步驟包括以下步驟響應(yīng)于確定所檢測的速度低于預(yù)定速度，更改對應(yīng)于所述經(jīng)提升的 轉(zhuǎn)矩信號的所述同步參考坐標(biāo)系電流命令；和響應(yīng)于確定所4企測的速度等于或大于所述預(yù)定速度，更改對應(yīng)于所 述轉(zhuǎn)矩信號的所述同步參考坐標(biāo)系電流命令。
13. —種電動機系統(tǒng)，包括 交流(AC)同步電動機；耦合到所述交流同步電動機并向其提供電控制的逆變器；和 連接到所述逆變器以向其提供用于操作所迷交流同步電動機的操 作控制信號的控制器，該控制器包括用來更改轉(zhuǎn)矩命令以產(chǎn)生經(jīng)提升的 轉(zhuǎn)矩信號的轉(zhuǎn)矩命令增益塊，其中所迷轉(zhuǎn)矩命令增益塊響應(yīng)于檢測的所 述交流同步電動機的速度產(chǎn)生經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號，更改轉(zhuǎn)矩命令以根據(jù) 響應(yīng)于轉(zhuǎn)矩命令而計算的轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子定義所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信 號。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電動機系統(tǒng)，其中所述控制器進一步 包括耦合到所述同步交流電動機以確定其檢測的速度的低速檢測器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的電動機系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)矩命令增益 塊響應(yīng)于低速檢測器確定所檢測的速度低于預(yù)定速度，產(chǎn)生所述經(jīng)提升 的轉(zhuǎn)矩信號。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的電動機系統(tǒng)，其中所述控制器進一步 包括耦合到所述轉(zhuǎn)矩命令增益塊的電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制模塊，其響應(yīng)于所 述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號來更改所述交流同步電動機的相電流以產(chǎn)生所述 操作控制信號以提供給逆變器用于控制所述交流同步電動機。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的電動機系統(tǒng)，其中所述控制器進一步 包括耦合到所述低速檢測器的比例因子計算器，其響應(yīng)于所檢測的速度 和所述速度相關(guān)比例因子產(chǎn)生經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升信號，并且其中所述轉(zhuǎn) 矩命令增益塊耦合到所述比例因子計算器，并響應(yīng)于經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升 信號更改所述轉(zhuǎn)矩命令以產(chǎn)生所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電動機系統(tǒng)，其中所述電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩 控制模塊耦合到所述轉(zhuǎn)矩命令增益塊，并響應(yīng)于所述經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信 號，更改與所述交流同步電動才幾的相電流對應(yīng)的同步參考坐標(biāo)系電流 值，當(dāng)所檢測的速度低于預(yù)定速度時，響應(yīng)于與所述經(jīng)縮放的轉(zhuǎn)矩提升 信號對應(yīng)的同步參考坐標(biāo)系電流命令，更改與所述交流同步電動機的相 電流對應(yīng)的同步參考坐標(biāo)系電流值，當(dāng)所檢測的速度等于或大于所述預(yù) 定速度時，響應(yīng)于與所述轉(zhuǎn)矩命令對應(yīng)的同步參考坐標(biāo)系電流命令來產(chǎn) 生所述操作控制信號，所述操作控制信號向所述交流同步電動機提供轉(zhuǎn) 矩提升。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電動機系統(tǒng)，其中所述同步交流電動 才幾包4舌永》茲電動才幾。
20. 根椐權(quán)利要求13所述的電動機系統(tǒng)，其中所述逆變器包括多 個絕緣柵雙極晶體管(IGBT),該絕緣柵雙極晶體管的柵極耦合到所述 控制器以從控制器接收所述操作控制信號，所述多個絕緣柵雙極晶體管 控制所述交流同步電動機的運轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及低速同步電機驅(qū)動操作。提供了用于在電動機系統(tǒng)低速時提供轉(zhuǎn)矩提升的方法和裝置。電動機系統(tǒng)包括交流(AC)同步電動機，逆變器和控制器。逆變器被耦合到AC同步電動機，并由此提供電控制?？刂破鞅获詈系侥孀兤?，并向逆變器提供操作控制信號以操作電動機?？刂破靼ㄞD(zhuǎn)矩命令增益塊，該轉(zhuǎn)矩命令增益塊響應(yīng)于檢測的電動機速度更改轉(zhuǎn)矩命令來產(chǎn)生經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號，更改轉(zhuǎn)矩命令以定義根據(jù)轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子而定義的經(jīng)提升的轉(zhuǎn)矩信號，轉(zhuǎn)矩相關(guān)比例因子是響應(yīng)于轉(zhuǎn)矩命令而計算的。
文檔編號H02P6/14GK101394145SQ20081014921
公開日2009年3月25日 申請日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月17日
發(fā)明者G·塔麥, S·E·舒爾茨, S·湯普森 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司