專利名稱：限制再生電流的電機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機(jī)控制系統(tǒng)，特別地涉及一種構(gòu)造成將電機(jī)的再生電流限制到閾值的電機(jī)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括電機(jī)和具有逆變驅(qū)動(dòng)電路的控制器。電機(jī)和控制器的結(jié)合有時(shí)稱為電致動(dòng)器。電致動(dòng)器在兩個(gè)工作方向上旋轉(zhuǎn)。也就是，電致動(dòng)器可順時(shí)針工作也可以逆時(shí)針工作。電致動(dòng)器還工作為在兩個(gè)方向上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此，電致動(dòng)器工作在電機(jī)的所有四個(gè)工作象限，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)速度的每一個(gè)可以是正的或負(fù)的，形成四個(gè)可能的工作結(jié)合。當(dāng)電致動(dòng)器工作在象限2或象限4中時(shí)，電致動(dòng)器作為發(fā)電機(jī)工作。也就是，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)速度具有相反的符號(hào)(即正或負(fù))時(shí)，供電電流將變成負(fù)向。負(fù)向供電電流還被稱為再生電流。例如，當(dāng)電致動(dòng)器連接到車載電池時(shí)，再生電流可以被送向車載電池。車載電池的性能隨時(shí)間變差。因此，如果電池性能降低或車載電氣系統(tǒng)問(wèn)題出現(xiàn)，再生電流可能不被車載電池所吸收。因此，需要限制由電致動(dòng)器工作在象限2或象限4時(shí)所產(chǎn)生的再生電流的量。在一種減少到達(dá)車載電池的再生電流的方法中，無(wú)源元件，例如電阻元件可以被用來(lái)消耗再生電流。但是，無(wú)源元件可能較大，難以封裝。除了減少再生電流，電機(jī)典型地具有需要滿足象限I和象限3的轉(zhuǎn)矩與速度需求。因此，可以采用一種被稱為相位超前的方法來(lái)滿足轉(zhuǎn)矩與速度需求，從而從電機(jī)產(chǎn)生的功率的量增加。相位超前包括允許所施加的電機(jī)電壓的相位相對(duì)于產(chǎn)生的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)的相位偏移。當(dāng)相位超前不需要滿足象限2和象限4中的轉(zhuǎn)矩與速度需求時(shí)，可使用零相位超前值。這種方法使得用于控制器的軟件相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，可能產(chǎn)生相對(duì)較大的電機(jī)電流(即，在一個(gè)實(shí)例中電機(jī)電流可能高達(dá)大約220安培)，這可能造成對(duì)控制器的內(nèi)部電路的電氣應(yīng)力，還可能造成噪聲問(wèn)題。在另一種方法中，相位超前可用于象限2和象限4來(lái)滿足轉(zhuǎn)矩與速度性能需求。在這種方法中，計(jì)算相位超前角，使得電機(jī)的d軸或勵(lì)磁電流在象限2或象限4中大約為零。該方法產(chǎn)生較少的電機(jī)電流，從而減少控制器的內(nèi)部電路上的電氣應(yīng)力。然而，該方法還可能產(chǎn)生相對(duì)大量的再生電流。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種電機(jī)控制系統(tǒng)，包括電機(jī)和控制模塊。電機(jī)以某一旋轉(zhuǎn)速度工作，并產(chǎn)生再生電流。電機(jī)具有目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流，配置為將再生電流限制到閾值。電機(jī)包括多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)。控制模塊與電機(jī)通信?？刂颇K接收電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令。控制模塊包括控制邏輯，其基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)確定目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流?？刂颇K包括控制邏輯，其用于確定相位超前角來(lái)產(chǎn)生目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流?？刂颇K包括控制邏輯，其基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令、旋轉(zhuǎn)速度和多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)來(lái)確定電機(jī)電壓指令。電機(jī)電壓指令應(yīng)用于相位超前角。在另一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)控制系統(tǒng)包括電機(jī)和控制模塊。電機(jī)以某一旋轉(zhuǎn)速度工作。電機(jī)工作產(chǎn)生再生電流。電機(jī)具有目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流，其配置為將第二工作象限和第四工作象限中的再生電流限制到閾值，電機(jī)還包括多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流和勵(lì)磁減弱電流?？刂颇K與電機(jī)通信。控制模塊接收電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令。控制模塊包括基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令和電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度來(lái)識(shí)別目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯?？刂颇K包括監(jiān)測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流和勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯?？刂颇K包括基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流的控制邏輯?？刂颇K包括控制邏輯，其將轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流相比較和將勵(lì)磁減弱電流與目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流相比較。控制模塊包括確定相位超前角來(lái)產(chǎn)生目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯?？刂颇K包括基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令、旋轉(zhuǎn)速度和多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)確定電機(jī)電壓指令的控制邏輯。電機(jī)電壓指令應(yīng)用于相位超前角。結(jié)合附圖從下述說(shuō)明內(nèi)容中將更明確地得到這些和其他的優(yōu)點(diǎn)和特征。


在說(shuō)明書(shū)的結(jié)尾處在權(quán)利要求中本發(fā)明的主題被特別地指出和明顯地請(qǐng)求保護(hù)。結(jié)合附圖，從下面詳細(xì)的說(shuō)明中清楚地獲得本發(fā)明的上述和其他特征，和優(yōu)點(diǎn)，其中:圖1是電機(jī)控制系統(tǒng)的示例性圖示說(shuō)明；圖2是圖1所示電機(jī)的矢量圖；圖3是說(shuō)明圖1所示電機(jī)的四個(gè)工作象限的示例性圖示；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一方面說(shuō)明一種圖1所示電機(jī)的控制方法的方框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一方面說(shuō)明另一種圖1所示電機(jī)的控制方法的方框圖；圖6是說(shuō)明本發(fā)明的另一方面的方框圖；以及圖7是說(shuō)明采用和未采用本發(fā)明的圖1所示電機(jī)的工作情況的圖表。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參看附圖，本發(fā)明將參照特定實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，其不限制本發(fā)明，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的電機(jī)控制系統(tǒng)10。在所不實(shí)施例中，電機(jī)控制系統(tǒng)10包括電機(jī)20、逆變器22、DC供電電壓24和控制模塊30。DC供電電壓24將供電電壓VB提供給電機(jī)20。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，DC供電電壓24是12V電池，然而可以理解的是也可以使用其他類型的供電電壓。逆變器22通過(guò)一組由“A”、“B”、“C”標(biāo)識(shí)的三個(gè)連接線32連接到電機(jī)
20。在一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)20是永磁DC無(wú)刷電機(jī)?？刂颇K30通過(guò)逆變器22連接到電機(jī)20?？刂颇K30從源34接收電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令T.，源34是例如轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)?？刂颇K30包括用于將電機(jī)電壓指令V通過(guò)逆變器22發(fā)送到電機(jī)20的控制邏輯。現(xiàn)在參看圖1和2，電機(jī)20工作使得電機(jī)電壓指令Vll的相位相對(duì)于電機(jī)20產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)電壓Eg的相位移位。電機(jī)20的矢量圖如圖2所示，示出了電壓向量V，其具有電機(jī)電壓指令Va的幅值。BEMF電壓向量E具有BEMF電壓Eg的幅值。在電壓向量V和BEMF電壓向量E之間測(cè)得一個(gè)角度，被表示為相位超前角δ。定子相位電流表示為I，在q軸上的定子相位電流表示為Iq，在d軸上的定子相位電流表示為Id，在相應(yīng)的d軸上的定子相位電抗表不為xd，在q軸上的定子相位電抗表不為XtJ，在A相上的定子相位電阻表不為艮。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，編碼器36(如圖1所示)用來(lái)測(cè)量電機(jī)20的轉(zhuǎn)子(圖1未不出)的角位置Θ。電機(jī)20的角位置Θ用于確定輸入相電壓Va, Vb和V。,其中輸入相電壓Va對(duì)應(yīng)于連接線A，輸入相電壓Vb對(duì)應(yīng)于連接線B，輸入相電壓V。對(duì)應(yīng)于連接線C。控制模塊30包括控制邏輯，其用于使用如下等式1-3計(jì)算輸入相電壓Va，Vb和V。:Va = Vsin ( δ + Θ )等式 IVb = Vsin( δ + Θ+120。)等式 2
Vc = Vsin( δ + Θ+240。)等式 3電機(jī)20可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在工作時(shí)還可在順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛏袭a(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此，電機(jī)20工作在如圖3所示的所有四個(gè)工作象限。圖3是示出電機(jī)20的四個(gè)工作象限的示例性圖示，其中象限I包括正的速度和正的轉(zhuǎn)矩，象限2包括負(fù)的速度和正的轉(zhuǎn)矩，象限3包括負(fù)的速度和負(fù)的轉(zhuǎn)矩，象限4包括正的速度和負(fù)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)20工作在象限2或象限4中，電機(jī)20可產(chǎn)生再生電流，其被送回到DC電源24 (如圖1所示)。電機(jī)控制系統(tǒng)10(如圖1所示)配置為將電機(jī)20工作在象限2和象限4的再生電流限制到閾值。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，再生電流的閾值可以大約是15安培，然而可以理解的是再生電流也可以限制到其他值。使用一項(xiàng)通常被稱為相位超前的技術(shù)來(lái)產(chǎn)生電機(jī)20的勵(lì)磁減弱電流Id。勵(lì)磁減弱電流Id與BEMF電壓Eg的相位差大約是90度。相位超前包括允許電機(jī)電壓指令的相位相對(duì)于BEMF電壓Eg的相位偏移相位超前角δ (如圖2所示)。特別地，控制模塊30包括控制邏輯，其用于確定表示為IdTAffi；ET的目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流。目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流IdTAKeET配置為將電機(jī)20產(chǎn)生的再生電流限制到閾值。圖4是示出使用控制模塊30 (圖1所示)計(jì)算的相位超前的一個(gè)方法的示例性方框圖100。控制模塊30包括用于監(jiān)測(cè)電機(jī)20(仍如圖1所示)的旋轉(zhuǎn)速度的控制邏輯。特別地，控制模塊30可與速度測(cè)量裝置(圖1未示出)相通信，該裝置的輸出表示電機(jī)20的角速度ωπ?？蛇x地，電機(jī)20的角速度《 1可通過(guò)對(duì)角位置Θ求微分來(lái)計(jì)算，其中d0/dt=ωπ。角速度(^還可表示為電機(jī)20的機(jī)械速度，以弧度/秒來(lái)測(cè)量?？刂颇K30包括控制邏輯，其也計(jì)算電機(jī)20的電速度ωε，其中將機(jī)械速度ωπ乘以電機(jī)20的極數(shù)Np，并將機(jī)械速度ωπ與極數(shù)Np的乘積除以2計(jì)算得到電速度。在一個(gè)實(shí)施例中，控制模塊30的存儲(chǔ)器還存儲(chǔ)了多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)。特別地，在一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)電路參數(shù)包括以伏特/弧度/秒來(lái)測(cè)量的電機(jī)電壓常數(shù)&，以歐姆來(lái)測(cè)量的電機(jī)和控制模塊輸出電路電阻R，和以亨利來(lái)測(cè)量的電機(jī)同步電感L。在另一個(gè)實(shí)施例中，控制模塊30可包括控制邏輯，其計(jì)算電機(jī)電路參數(shù)電機(jī)電壓常數(shù)&、電機(jī)和控制模塊輸出電路電阻R和電機(jī)同步電感L。特別地，電機(jī)電壓常數(shù)Ke、電機(jī)和控制模塊輸出電路電阻R和電機(jī)同步電感L隨著溫度變化。而且，電機(jī)電壓常數(shù)Ke和電機(jī)同步電感L由于飽和效應(yīng)隨著電機(jī)電流變化。共同擁有的US專利6900607，US專利7071649，US專利7199549，US專利7576506中可以找到如何計(jì)算電機(jī)電路參數(shù)的實(shí)例，這些文獻(xiàn)通過(guò)引用而結(jié)合在本文中?？刂颇K30還包括用于監(jiān)測(cè)電機(jī)20的供電電壓Vb的控制邏輯?？刂颇K30包括控制邏輯，其用于基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令Τ.和機(jī)械速度ωπ來(lái)識(shí)別目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流IdTAK；ET的特定值，如方框102所示?？刂颇K30可使用多種方法計(jì)算目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流IdTAKeET的特定值。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，控制模塊30的存儲(chǔ)器包括3D查找表，其具有與電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令T.、機(jī)械速度ωπ和電機(jī)20的特定工作象限(如圖3所示)相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流IdTAKeET的特定值。當(dāng)電機(jī)20工作在象限2或象限4時(shí)，目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流IdTA胃被使用。在另一個(gè)實(shí)施例中，控制模塊30可包括用于計(jì)算目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流IdTAKeET的特定值的控制邏輯。一種用于確定目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流IdTAKeET的方法如下所述，并在圖6中示出?；氐綀D4，方框104收到目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流IdTAK；ET，電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令T.、機(jī)械速度 電機(jī)電壓常數(shù)Ke、電機(jī)和控制模塊輸出電路電阻R和電機(jī)同步電感L。方框104計(jì)算相
位超前角S和電機(jī)20的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流Iq。轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流Iq與BEMF電壓Eg同相。特別地，在一種方法中，相位超前角δ可使用等式4-7來(lái)計(jì)算:
權(quán)利要求
1.一種電機(jī)控制系統(tǒng),包括: 以一旋轉(zhuǎn)速度工作的電機(jī)，所述電機(jī)工作產(chǎn)生再生電流，所述電機(jī)具有目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流，該目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流配置為將再生電流限制到閾值，所述電機(jī)具有多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)；和 與所述電機(jī)通信的控制模塊，所述控制模塊接收電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令，包括: 基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)識(shí)別目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯； 確定相位超前角來(lái)產(chǎn)生目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯；和 基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令、旋轉(zhuǎn)速度和所述多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)確定電機(jī)電壓指令的控制邏輯，所述電機(jī)電壓指令在相位超前角施加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中控制模塊的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用于識(shí)別目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的3D查找表，其中3D查找表包括基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度的目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)包括單位為電壓/弧度/秒的電機(jī)電壓常數(shù)Ke、單位為歐姆的電機(jī)和控制模塊輸出電路電阻R和單位為亨利的電機(jī)同步電感L，其中相位超前角至少基于所述多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中控制模塊包括計(jì)算目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯，其中所述目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流基于勵(lì)磁減弱電流大約是零安培時(shí)的相位超前角的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中當(dāng)勵(lì)磁減弱電流大約是零安培時(shí)相位超前角的值采用以下等式計(jì)算:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中機(jī)械速度ωπ是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，機(jī)械速度《 1乘以電機(jī)的極數(shù)％并且將機(jī)械速度ωπ與電機(jī)的極數(shù)Np的乘積除以2計(jì)算得到電速度《e。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中電機(jī)電壓指令采用以下等式計(jì)算:
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流進(jìn)一步基于電機(jī)輸出功率，其中電機(jī)輸出功率采用以下等式計(jì)算:
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流進(jìn)一步基于增益系數(shù)，其中增益系數(shù)表示當(dāng)勵(lì)磁減弱電流為零時(shí)為了獲得目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流IdTAKeET的電機(jī)輸出功率P的絕對(duì)值的平方根的關(guān)系，其中增益系數(shù)使用以下等式計(jì)算:
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中再生電流的閾值大約是15安培。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中控制模塊包括將施加于相位超前角的電機(jī)電壓指令發(fā)送到電機(jī)的控制邏輯。
12.—種電機(jī)控制系統(tǒng) ,包括: 以一旋轉(zhuǎn)速度工作的電機(jī)，所述電機(jī)工作產(chǎn)生再生電流，所述電機(jī)具有目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流，該目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流配置為在第二工作象限和第四工作象限中將再生電流限制到閾值，所述電機(jī)具有多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流和勵(lì)磁減弱電流；和 與電機(jī)通信的控制模塊，所述控制模塊接收電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令，包括: 基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)識(shí)別目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯； 監(jiān)測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流和勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯； 基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流的控制邏輯； 將轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流比較和將勵(lì)磁減弱電流與目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流比較的控制邏輯； 確定相位超前角來(lái)產(chǎn)生目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯；和 基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令、旋轉(zhuǎn)速度和所述多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)確定電機(jī)電壓指令的控制邏輯，電機(jī)電壓指令在相位超前角施加。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中控制模塊的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用于識(shí)別目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的3D查找表，其中3D查找表包括基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度的目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的值。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)包括單位為電壓/弧度/秒的電機(jī)電壓常數(shù)Ke、單位為歐姆的電機(jī)和控制模塊輸出電路電阻R和單位為亨利的電機(jī)同步電感L，其中相位超前角至少基于所述多個(gè)電機(jī)電路參數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中控制模塊包括計(jì)算目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流的控制邏輯，其中目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流基于當(dāng)勵(lì)磁減弱電流大約是零安培時(shí)的相位超前角的值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電機(jī)和控制模塊。電機(jī)工作在一旋轉(zhuǎn)速度，并產(chǎn)生再生電流。電機(jī)具有目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流，其配置為將再生電流限制到閾值?？刂颇K與電機(jī)通信?？刂颇K接收電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令。控制模塊包括控制邏輯，其基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)識(shí)別目標(biāo)勵(lì)磁減弱電流。
文檔編號(hào)H02P27/06GK103178771SQ20121059901
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者J·A·克萊瑙 申請(qǐng)人:操縱技術(shù)Ip控股公司