CN108880389B - 电机驱动控制方法和***与驱动空气压缩机的控制方法 - Google Patents

电机驱动控制方法和***与驱动空气压缩机的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机驱动控制方法和***与驱动空气压缩机的控制方法。该电机驱动控制方法包括：计算电机的电转动频率，基于计算出的电机的电转动频率计算电机的驱动转矩频率，以及将电机的转矩控制为以计算出的驱动转矩频率重复接通/断开。

Description

电机驱动控制方法和***与驱动空气压缩机的控制方法
技术领域
本公开涉及一种用于电机的驱动的控制方法和***以及使用电机的燃料电池***的空气压缩机的驱动的控制方法，更具体来说，涉及一种用于电机的驱动的控制方法和***，用于减少在电机的开/关控制期间产生的电磁噪声并且提高能量效率。
背景技术
当在燃料电池堆在高输出下运转期间以降低冷却性能的工作条件驱动燃料电池车辆时，例如车辆在高温下上坡行驶时，燃料电池堆的工作温度升高，降低了供应燃料的湿度，相应地，燃料电池堆变干，这降低了相同电流情况下的堆工作电压。这导致了其中随着燃料电池堆的热量由于堆电压的下降而增加，燃料电池工作温度进一步升高的反馈环路。
近年来，为了防止此种现象，用于增加供应到空气电极(阴极)的空气的压力以增加空气电极处的相对湿度的控制技术，已应用于车辆用的燃料电池***。相应地，需要进一步提高用于向燃料电池堆的空气电极供应空气的空气压缩机的压缩比。
由于需要进一步提高向燃料电池堆的空气电极供应的空气的压缩比，空气压缩机被设计成在进一步提高空气压缩机的压缩比的同时，在最大压力工作点达到最高效率。根据设计，压缩机的效率在高流速范围内增加，但是高压缩比在与相对较低的流速对应的周期内降低。因此，空气压缩机的功耗在低流速的范围内增加，而低流速的范围是车辆在市区区域中行驶期间的主要行驶范围，因此，这对车辆燃料效率有不利影响。
更具体来说，与常规使用的常压鼓风机相比，空气压缩比进一步提高的加压空气压缩机需要被配置为进一步扩增在加压空气压缩机内安装的电机的驱动速度，相应地，低流速范围与高流速范围之间的电机驱动速度差增加，这对空气压缩机的效率提高有不利影响。也就是说，为了确保随着电机转速的增加而在高速驱动区域中有足够电压裕度，加压空气压缩机以降低电机电感(motor inductance)的方式来配置，并且三相纹波电流由于电机电感降低而增大，从而降低了电机/逆变器的效率。特别地，在需要相对低的输出的低流速范围内，三相电流较低，并且由于电流纹波的增加，效率显著降低。也就是说，作为次要分量(secondary component)的三相纹波电流不牵扯电机转矩，并且在具有低电机转矩的低流速范围内，与三相正弦波电流分量相比，三相纹波电流量相对较高，因此，与高输出范围相比，电机/逆变器的效率降低。
此外，翼型轴承(airfoil bearing)在高速转动时应用于空气压缩机的电机的转动，就此而言，为了保持窜动状态(lift state)，需要以预定速度或更高速度转动。因此，存在一个问题，即当电机以等于或小于使翼型轴承保持窜动状态所需的参考速度的速度连续驱动时，翼型轴承会由于与电机转动轴的摩擦而受到损坏。因此，为防止翼型轴承受到损坏，空气压缩机具有最小驱动速度的限制，因此，空气压缩机以最小驱动速度或更高速度来驱动，即使在需要以低输出进行驱动的空气燃料电池中，也不必要地供应了过量的空气，从而降低了燃料电池***的总效率。
为了对此进行克服，在空气压缩机的低速工作范围期间，重复执行用于驱动空气压缩机的电机的转矩的接通/断开控制，以降低空气压缩机的功耗。然而，在驱动转矩的接通/断开控制期间，仅在其中驱动转矩接通的短时间周期内施加连续供应的电流，因此，存在电磁噪声增加的问题。
本章节披露的内容仅用于增强对本发明的一般背景的理解，不应被视为对这些内容构成本领域技术人员已知的现有技术的承认或任何形式的暗示。
发明内容
因此，鉴于上述问题而作出本公开，并且本公开的目的在于提供一种用于电机的驱动的控制方法和***，以及使用电机的燃料电池的空气压缩机的驱动的控制方法，以用于减少在驱动转矩的接通/断开控制期间的电磁噪声，并显着提高电机的效率，以便以低速驱动针对高速转动期间有最大效率而设计的电机。
根据本公开的一个方面，上述目的和其他目的可通过提供一种电机驱动控制方法来实现，该方法包括计算电机的电转动频率，基于计算出的电机的电转动频率计算该电机的驱动转矩频率，以及将该电机的转矩控制成以计算出的驱动转矩频率反复接通/断开。
控制电机的转矩可包括当电机的转矩处于接通状态时，施加向该电机供应的驱动电流，并且当该电机的转矩处于断开状态时，执行将供应到电机的驱动电流基本调节至0的控制。
控制电机的转矩可包括：在电机的转矩处于断开状态时控制切断包括在用于向电机施加驱动电流的逆变器中的开关装置。
控制电机的转矩可包括：将包括在逆变器中的开关装置控制成接通/断开，使得施加到该电机的驱动电压与该电机的反电动势基本相同。
计算电机的驱动转矩频率可包括计算与计算出的电机的电转动频率同步的驱动转矩频率。
该方法还可包括：在控制电机的转矩之前，计算电机的三相电流的相位，并基于计算出的电机的三相电流的相位来计算用于施加电机的驱动转矩的起始点，其中控制电机的转矩可包括在计算出的用于施加驱动转矩的起始点施加电机的驱动转矩。
计算电机的三相电流的相位可包括计算电机的三相电流中任一相电流为0A时的起始点。
计算用于施加驱动转矩的起始点可包括：计算用于施加电机的驱动转矩的起始点使得计算出的该电机的三相电流中的任一相电流为0A时的起始点是从中驱动转矩接通的时间周期的中心。
计算电机的驱动转矩频率可包括将驱动转矩频率计算为计算出的电机的电转动频率的6/n倍，其中n为自然数。
计算电机的驱动转矩频率可包括将驱动转矩频率计算为计算出的电机的电转动频率的6/n倍，其中n为不是3的倍数的自然数。
根据本公开的另一方面，上述目的和其他目的可通过提供一种电机驱动控制***来实现，该电机驱动控制***包括：电机监控装置，用于监控电机的转动并计算电机的电转动频率；驱动转矩频率计算装置，用于基于由电机监控装置计算出的电转动频率计算用于将电机的驱动转矩控制成反复接通/断开的驱动转矩频率；以及逆变器控制器，用于将电机的驱动转矩控制成以由驱动转矩频率计算装置计算出的电机驱动转矩频率反复接通/断开。
电机驱动控制***还可包括驱动转矩施加时间计算装置，用于计算电机的三相电流的相位，并根据计算出的电机的三相电流的相位，计算用于施加电机的驱动转矩的起始点，其中逆变器控制器在计算出的用于施加驱动转矩的起始点施加该驱动转矩。
根据本公开的另一方面，上述目的和其他目的可通过提供一种燃料电池***的空气压缩机的电机驱动控制方法来实现，压缩机用于向燃料电池堆供应压缩空气，该方法包括计算电机的电转动频率，基于计算出的电机的转动频率计算电机的驱动转矩频率，并且将电机的转矩控制成以计算出的驱动转矩频率重复接通/断开。
该方法还可以包括，在控制电机的转矩之前，计算电机的三相电流的相位，并基于计算出的电机的三相电流的相位，计算用于施加电机的驱动转矩的起始点，其中控制电机的转矩可包括：在计算出的用于施加驱动转矩的的起始点施加驱动转矩。
附图说明
本公开的上述和其它目的、特征和其他优点将通过结合附图而作出的以下具体实施方式来得到更清楚地理解，在附图中：
图1为示出根据本公开的示例性实施方式的电机驱动控制***的构造的示图；
图2为示出根据本公开的示例性实施方式的对电机驱动控制方法施加的电机驱动转矩的接通/断开控制的曲线图；
图3示出了图2的部分“A”，并且是示出根据本公开的示例性实施方式的在电机驱动转矩的接通/断开控制期间施加电机驱动转矩的起始点的曲线图；以及
图4为示出在连续施加电机驱动转矩时的电机的三相电流波形的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述根据本公开的示例性实施方式的车辆用轻模块(lightmodule)。
图1为示出根据本公开的示例性实施方式的电机驱动控制***的构造的示图。图2为示出根据本公开的示例性实施方式的对电机驱动控制方法施加的电机驱动转矩的接通/断开控制的曲线图。图3为示出根据本公开的示例性实施方式的在电机驱动转矩的接通/断开控制期间施加电机驱动转矩的起始点的曲线图。图4为示出在连续施加电机驱动转矩时的电机的三相电流波形的曲线图。
如图1所示，根据本公开的电机驱动控制***可包括：电机监控装置40，用于监控电机30的转动并计算电机30的电转动频率(electrical rotation frequency)；驱动转矩频率计算装置50，用于基于由电机监控装置40计算出的电转动频率，计算将电机30的驱动转矩控制为反复接通/断开的频率；以及逆变器控制器20，用于将电机30的驱动转矩控制为以由驱动转矩频率计算装置50计算出的电机30的驱动转矩频率反复接通/断开。
参考图1，根据本公开的电机驱动控制方法可包括：由电机监控装置40计算电机30的电转动频率；由驱动转矩频率计算装置50，基于计算出的电机30的电转动频率，计算电机30的驱动转矩频率；并由逆变器控制器20将电机30的驱动转矩控制成以计算出的驱动转矩频率接通/断开。
这里，电机30的电转动是指由逆变器10向电机30施加的三相电流的一个周期，而不是电机30的一次物理转动。因此，根据电机30中包括的磁体的数量，电转动频率可以是电机30的物理转动频率的倍数。
在通过电机监控装置40计算电机30的电转动频率时，电机30的电转动可以由传感器进行感测。例如，可以通过霍尔传感器随着时间感测电机30的电转动，以计算电转动频率。
在基于计算出的电机30的电转动频率计算电机30的驱动转矩频率的过程中，可确定基于计算出的电机30的电转动频率来将电机30的驱动转矩控制成反复接通/断开的频率。
如图2所示，电机30的驱动转矩可以以预定的恒定周期和占空比反复接通/断开。由逆变器控制器20以计算出的驱动转矩频率对电机30的驱动转矩进行接通/断开的控制，可包括以计算出的驱动转矩频率向电机30反复施加和切断转矩的控制。
电机30的转矩的接通/断开控制可通过以下控制反复地执行：在电机30的转矩处于接通状态时，施加向电机30供应的驱动电流，并且在电机30的转矩处于切断状态时将供应到电机30的驱动电流基本上调节至0。
电机30的转矩的接通/断开控制的方案的示例可包括以下方法：确定在逆变器10中包括的所有开关装置(未示出)处于断开状态(100％空闲比)，并在其内将电机30的转矩设定为切断的范围内断开供应到电机30的驱动电流。也就是说，使用应用来驱动电机30的一般方法用于控制逆变器10的开关装置(未示出)的驱动信号，可在从中电机30的转矩需要保持成施加状态的范围内输出到逆变器10，并且用于断开所有开关装置(未示出)的控制信号可在从中电机30的转矩需要保持为切断状态的范围内输出到逆变器10。
在电机驱动控制方法中，根据本公开的示例性实施方式的转矩接通/断开控制可包括：以预定的周期和占空比将电机30的驱动转矩控制成施加/切断，并且就此而言，通常可通过在从中转矩设定为施加的范围内控制逆变器开关装置(未示出)，并且在从中将转矩设定为切断的范围内断开所有逆变器开关装置(未示出)来实现转矩的接通/断开控制。
在从中将转矩设定为切断的范围内控制逆变器10的开关装置(未示出)的另一种方法可以是以下方法：在逆变器中将每个相位的开关装置(未示出)控制成接通/断开，以产生与由电机30产生的反电动势具有基本相同的电压振幅的驱动电压。当电机30的反电动势与逆变器的三相驱动电压相同时，不会产生电位差，因此电流状态可变为其中电流不从逆变器供应到电机30的零电流状态。
在通过驱动转矩频率计算装置50计算驱动转矩频率时，可以计算与计算的电机电转动频率同步的驱动转矩频率。这里，同步可以指同等化(equalization)，也可以指电机电转动频率是驱动转矩频率的倍数，或者相反，驱动转矩频率是电机电转动频率的倍数的预定关系。
当电机30的驱动转矩频率与电机30的电转动频率同步时，在驱动转矩施加的时间周期(占用比)内产生相同的三相电流。因此，在从中驱动转矩被施加的时间周期内产生的电磁噪声源变得恒定，与产生各种频带的电磁噪声的常规情况相比，电磁噪声会减少。
电机驱动控制方法还可包括：在电机30的驱动转矩的接通/断开控制之前，通过电机监控装置40计算电机30的三相电流的相位，并由驱动转矩施加时间计算装置60基于计算出的电机30的三相电流的相位，计算施加电机30驱动转矩的起始点。在控制电机30的驱动转矩时，逆变器控制器20可在计算出的施加驱动转矩的起始点施加电机30的驱动转矩。
在计算电机30的三相电流的相位时，电机监控装置40可计算在电机30的三相中流动的电流的正弦波相位。电机30的三相中的实际电流基本上只在从中驱动转矩被施加的范围内被施加，因此，三相电流的相位无法通过实际测量识别出。因此，电机监控装置40可监控电机30的位置信息等，并且基于所监控的电机30的信息，来计算在从中驱动转矩被施加的范围内在电机30的三相中流动的施加电流的正弦波相位。
在由驱动转矩施加时间计算装置60基于电机30的三相电流的相位所计算的施加电机30的驱动转矩的起始点的计算过程中，可以计算以计算出的驱动转矩频率重复施加电机驱动转矩的起始点。
在计算用于施加电机30的驱动转矩的起始点中，驱动转矩施加时间计算装置60可基于在电机的三相电流的相位的计算中所计算出的电机的三相电流的相位，计算电机的三相电流中的任一者为0A时的起始点。可基于计算出的电机的三相电流中的任一者为0A时的起始点来计算用于施加电机的驱动转矩的起始点。
具体来说，在计算施加驱动转矩的起始点时，驱动转矩施加时间计算装置60可计算用于施加电机驱动转矩的起始点，使得电机的三相电流中任一者为0A的起始点为从中驱动转矩接通的时间周期的中心。
如图4所示，当连续施加驱动转矩时，在电机30的三相中流动的电流波形为正弦波形。因此，当电机30的电转动周期为360°时，以三个相位中的一个相位以180°的间隔重复变为0A，并且三个相位中的两个相位之间存在120°的差值的方式来形成电流波形。
例如，电机监控装置40可使用霍尔传感器等监控电机30的位置信息等，并基于监控的电机30的信息，计算从中驱动转矩接通的范围内在电机30的三相中流动的电流的正弦波相位。计算出的三个相位中任一相的电流为0A时的起始点可与施加电机30的驱动转矩的起始点同步。
具体地，如图3所示，其示出图2的部分“A”，当计算出的三个相位中任一相为0A时的起始点与施加电机30的驱动转矩的起始点同步时，可计算用于施加电机30的驱动转矩的起始点，使得该电机的三相电流中的任一相电流为0A时的起始点为驱动转矩在其中接通(占用比)的时间周期的中心。从而，对于其中在三相电流中任一相电流为0A的起始点之后和之前驱动转矩接通的时间周期内，与电流为0A的起始点同步的一个相位内几乎不产生电流，因此几乎不产生电磁噪声，从而使电磁噪声尽可能地小。此外，在与三相电流为0A的起始点不同步的剩余两相中产生的电磁波彼此对称，因此根据干涉效应可降低电磁噪声。
当产生相同的转矩时，施加到电机的三相的电流的矢量和是恒定的，但是为了确定逆变器10的功率损耗，三相中施加的电流的振幅之和可在每个起始点改变。三相中施加的电流振幅之和在三相电流中任一相电流为0A的起始点处最小，因此，当三相电流中任一相电流为0A的起始点与用于施加电机30的驱动转矩的起始点同步时，可降低逆变器10的功率损耗，从而提高效率。
根据本公开的示例性实施方式，在计算驱动转矩频率时，驱动转矩频率可被计算为计算出的电机30的电转动频率的6/n的倍数，其中n为自然数，且在这种情况下，可计算出驱动转矩频率。
详细来说，参照图4，当电机30的一个电转动周期为360°时，三相中任一个的电流为0A的点以60°的间隔重复产生。也就是说，当三相中任一个的电流在0°的点上为0A时，三相电流中的任一相电流在诸如60°、120°、180°、240°、300°和360°等的点上为0A。
因此，当驱动转矩的周期是电机30的电转动周期的n/6倍，如1/6、2/6和3/6倍时，即6/n倍(n为自然数)，例如6、3和2倍的电机30的电转动频率，任一相的电流为0A的点将重复产生。
因此，与电机30的电转动频率的同步相比，可以提高改变电机30的驱动转矩频率的自由度，因此可选择各种频率。因此，可以根据操作条件选择具有更高效率的驱动转矩接通/断开频率。
根据本公开的另一个示例性实施方式，在计算驱动转矩频率时，驱动转矩频率可被计算为：计算出的电机30的电转动频率的6/n倍，且在这种情况下，可计算出驱动转矩频率，其中n为自然数且不是3的倍数。
详细来说，参照图4，当电机30的一个电转动周期为360°时，三相中任一相的电流为0A的点以60°的间隔重复产生，但任一电流为0A的点却以180°的间隔重复产生。当三相中任一相的电流在0°的点上为0A时，只有当间隔为60°、120°、240°、300°等时，电流为0A的相位才能均匀分布。
因此，当驱动转矩的周期是电机30的电转动周期的n/6倍时，如1/6、2/6、4/6、5/6和7/6倍，即6/n倍(n为自然数且不是3的倍数)，例如6、3和3/2倍的电机30的电转动频率，三相中任一相的电流为0A的点将重复产生且在三相内均匀分配。
由此，在电机30的三相中，电流为0A的起始点与用于施加驱动转矩的起始点同步的一个相位可被均匀分配，从而防止电机30的电线(wire)或逆变器的三相开关装置(未示出)疲劳或防止电机30偏心。
逆变器控制器20、电机监控装置40、驱动转矩频率计算装置50以及驱动转矩施加时间计算装置60可利用硬件处理器来实施，以实现上述功能。
从以上描述可以看出，当使用驱动电机的控制方法和***以及使用电机的燃料电池的空气压缩机的驱动的控制方法时，可以降低电机的功耗，以提高应用该电机的***的效率。特别地，在包括应用了该电机的空气压缩机的燃料电池车辆中，可减少空气压缩机的功耗，以提高燃料电池***的效率和车辆燃料效率。
特别地，在使用驱动电机的控制方法和***以及使用电机的燃料电池的空气压缩机的驱动的控制方法，可以降低电磁噪声，并可减少逆变器10的切换和导通电力损耗，从而降低功耗。
虽然上文已参照附图描述了本公开的优选实施方式，但本领域的技术人员将理解，本公开可在不改变其技术思想或特点的情况下以各种其他实施方式实施。

Claims (12)

1.一种电机驱动控制方法，所述方法包括以下步骤：
计算电机的电转动频率；
基于计算出的所述电机的所述电转动频率来计算所述电机的驱动转矩频率；以及
将所述电机的转矩控制成以计算出的所述驱动转矩频率反复接通/断开，
其中，计算所述电机的驱动转矩频率的步骤包括：计算与计算出的所述电机的所述电转动频率同步的所述驱动转矩频率，以及
将所述驱动转矩频率计算成计算出的所述电机的所述电转动频率的6/n倍，其中，n为自然数。
2.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其中，控制所述电机的转矩的步骤包括：当所述电机的转矩处于接通状态时，施加供应到所述电机的驱动电流，并且当所述电机的转矩处于断开状态时，执行将供应到所述电机的所述驱动电流调节至0的控制。
3.根据权利要求2所述的电机驱动控制方法，其中，控制所述电机的转矩的步骤还包括：当所述电机的转矩处于断开状态时将包括在用于向所述电机施加驱动电流的逆变器中的开关装置控制成断开。
4.根据权利要求2所述的电机驱动控制方法，其中，控制所述电机的转矩的步骤还包括：将包括在逆变器中的开关装置控制成接通/断开，使得施加到所述电机的驱动电压与所述电机的反电动势相同。
5.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，在控制所述电机的转矩的步骤之前还包括以下步骤：
计算所述电机的三相电流的相位；以及
基于计算出的所述电机的三相电流的相位，计算用于施加所述电机的驱动转矩的起始点，
其中，控制所述电机的转矩的步骤包括：在计算出的用于施加所述驱动转矩的起始点施加所述电机的所述驱动转矩。
6.根据权利要求5所述的电机驱动控制方法，其中，计算用于施加驱动转矩的起始点的步骤包括：基于计算出的所述电机的三相电流的相位来计算所述电机的三相电流中的任一相电流为0 A时的起始点，并且基于计算出的所述起始点来计算用于施加所述电机的所述驱动转矩的起始点。
7.根据权利要求6所述的电机驱动控制方法，其中，计算用于施加驱动转矩的起始点的步骤还包括：计算用于施加所述电机的所述驱动转矩的起始点，使得计算出的所述电机的三相电流中的任一相电流为0 A时的起始点是所述驱动转矩接通的时间周期的中心。
8.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其中，计算所述电机的驱动转矩频率的步骤还包括：将所述驱动转矩频率计算成计算出的所述电机的所述电转动频率的6/n倍，其中，n为不是3的倍数的自然数。
9.一种电机驱动控制***，包括处理器，所述处理器包括：
电机监控装置，被配置为计算电机的电转动频率；
驱动转矩频率计算装置，被配置为基于由所述电机监控装置计算的所述电转动频率，计算用于将所述电机的驱动转矩控制成反复接通/断开的驱动转矩频率；以及
逆变器控制器，被配置为将所述电机的所述驱动转矩控制成以由所述驱动转矩频率计算装置计算出的所述电机的所述驱动转矩频率反复接通/断开，
其中，在计算所述电机的驱动转矩频率的过程中，所述驱动转矩频率由与计算出的所述电机的所述电转动频率同步计算出，以及
所述驱动转矩频率由计算出的所述电机的所述电转动频率的6/n倍计算出，其中，n为自然数。
10.根据权利要求9所述的电机驱动控制***，其中，所述处理器还包括驱动转矩施加时间计算装置，所述驱动转矩施加时间计算装置被配置为计算所述电机的三相电流的相位，并且基于计算出的所述电机的三相电流的相位来计算用于施加所述电机的驱动转矩的起始点，
其中，所述逆变器控制器在计算出的用于施加所述驱动转矩的起始点施加所述驱动转矩。
11.一种燃料电池***的空气压缩机的电机驱动控制方法，所述压缩机用于向燃料电池堆供应压缩空气，所述方法包括以下步骤：
计算电机的电转动频率；
基于计算出的所述电机的所述电转动频率来计算所述电机的驱动转矩频率；以及
将所述电机的转矩控制成以计算出的所述驱动转矩频率反复接通/断开，
其中，在计算所述电机的驱动转矩频率的过程中，所述驱动转矩频率由与计算出的所述电机的所述电转动频率同步计算出，以及
所述驱动转矩频率由计算出的所述电机的所述电转动频率的6/n倍计算出，其中，n为自然数。
12.根据权利要求11所述的电机驱动控制方法，在控制所述电机的转矩的步骤之前还包括以下步骤：
计算所述电机的三相电流的相位；以及
基于计算出的所述电机的三相电流的相位，计算用于施加所述电机的驱动转矩的起始点，
其中，控制所述电机的转矩的步骤包括：在计算出的用于施加所述驱动转矩的起始点施加所述电机的所述驱动转矩。
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