CN110112972A - 电动机控制器 - Google Patents

Abstract

一种用于电动机的控制器，该控制器基于该电动机的速度、逆变器的DC总线电压确定电压极限圆，基于该电压极限圆和预先确定的电流极限圆计算q轴电流极限值，将通过极限处理获得的值确定为q轴电流指令值，基于该q轴电流指令值确定对应的d轴电流值，其中，该极限处理是使用q轴电流极限值应用于根据扭矩指令值计算出的q轴电流值的。

Description

电动机控制器

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月31日提交的第2018-015733号日本专利申请的优先权，其全部内容(包括说明书、权利要求书、附图和摘要)通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种电流控制技术，该电流控制技术用于在电动机控制器(例如，在NC机床的进给轴等中所采用的用于控制电动机的速度和旋转角度(位置)的控制器)中，使用两相旋转坐标系(其中磁极方向通常被称为d轴，而与磁极性方向电学垂直的方向通常被称为q轴)，计算和控制电动机的电流。

背景技术

为了在发生紧急情况时可靠地执行紧急停止，通常在NC机床的进给轴上采用永磁同步电动机(以下简称为“电动机”)，这是利用电动机的仅通过在旋转期间在绕组中建立短路电路就能够产生大的制动力的性能特点。同时，PWM逆变器通常用作控制器中的功率转换器，用于控制电动机的速度和旋转角度(位置)。

传统上，在用于通过PWM逆变器控制永磁同步电动机的速度和旋转角度(位置)的控制器中，通过根据由电动机的速度和由逆变器的DC总线电压所产生的电压约束提供d轴电流来抑制电动机的电压。然而，已经使用基于电动机的N-τ(速度-扭矩)特性的q轴电流极限值来控制q轴电流，而没有考虑电压约束来控制q轴电流。

图11是作为现有技术中的三相永磁同步电动机的控制器的示例的速度控制器200的示例性配置的框图。下面将描述根据该示例的速度控制器200。首先，输入三相AC电源100的AC电压的PWM逆变器对转换器部分101中的AC电压进行整流，使大电容102中的整流的AC电压平滑，并将整流的AC电压转换为DC电压。转换的DC电压(其被称为DC总线电压V_dc)随三相AC电源100的AC电压的幅度而变化。

逆变器部分103由多个功率半导体构成，这些功率半导体在U、V和W相中的每一相的DC总线之间建立桥接，并且被配置为控制具有期望的时变电压的三相永磁同步电动机104，该时变电压通过调整在桥接中的上半导体和下半导体的ON时间段而得到。位置检测器105检测电动机的旋转角度，并且电流检测器106u和106w分别地检测U相电流和W相电流。

速度命令值ω_m*从主机设备(未图示)输出到该示例的速度控制器200。从位置检测器105输出的电动机旋转角θ_m在微分器51中被时间微分，并且得到的时间微分值被输出为电动机速度ω_m。应当注意，微分器51中的参考字母s表示拉普拉斯变换操作中的微分算子。在减法器50中从速度指令值ω_m*中减去电动机速度ω_m，以获得速度偏差值。从减法器50输出的速度偏差值通过速度控制单元52中的比例积分运算放大，然后作为电动机扭矩指令值τ_c*输出。

在该配置中，用众所周的两相(d轴，q轴)坐标系来表示后续控制块。扭矩电流转换器53是用于将扭矩指令值τ_c*转换为q轴(扭矩)电流的转换器，并且扭矩电流转换器53中的附图标记K_e表示电动机扭矩常数。因此，扭矩电流转换器53作为q轴电流计算部分起作用，其基于扭矩指令值τ_c*来确定q轴电流值。

电流矢量计算部分80计算并输出q轴电流指令值i_q*和d轴电流指令值i_d*。在q轴电流限制器81中，考虑到电动机的N-τ(速度-扭矩)特性，通过对q轴电流指令进行极限处理来进一步处理来自扭矩电流转换器53的输出，以便限制取决于高速运行期间的电动机速度ω_m扭矩指令。应当注意的是，q轴电流限制I_{q_lim}与电动机速度ω_m呈负相关。来自q轴电流限制器81的输出是q轴电流指令值i_q*。

另一方面，d轴电流由指令沿着减小电动机的感应电压的方向控制，以避免在高速旋转期间出现电压饱和。DC总线电压检测部分54实时检测DC总线电压V_dc，并输出检测到的DC总线电压变化值Δ_dc，该电压变化值是检测到的DC总线电压V_dc与预定参考电压之间的差。d轴电流指令生成部分82基于由永磁体产生的感应电压和在电动机速度ω_m时检测到的DC总线电压变化值Δ_dc，计算控制电动机的旋转的电压容限，并输出基于电压容限的d轴电流指令值i_d*。

在电流检测器106u和106w中检测提供给电动机的U相电流i_u和W相电流i_w。应当注意的是，V相电流i_v可以通过等式i_v＝-(i_u+i_w)来计算。通过将电动机的机械旋转角θ_m乘以极对数p，在转换器55中计算电动机的电旋转角θ_re。三相→dq转换部分57根据电动机的电旋转角度θ_re、U相电流i_u和W相电流i_w通过坐标转换计算d轴电流检测值i_d和q轴电流检测值i_q，并输出计算出的值i_d和i_q。

减法器58从d轴电流指令值i_d*中减去d轴电流检测值i_d，减法器59从q轴电流指令值i_q*中减去q轴电流检测值i_q。从减法器58和59输出的被减的结果是作为输入提供给电流控制单元60的d轴电流误差和q轴电流误差。电流控制单元60包括误差放大器，其通过比例积分运算放大轴的每个电流误差，以对每个轴执行电流指令值和电流检测值的匹配，并且电流控制单元60还包括补偿控制单元，其可以对轴的电流去耦，从而获得从电流控制单元60输出的d轴电压指令值v_d*和q轴电压指令值v_q*。应当注意的是，电角速度ω_re作为通过在微分器56中使电动机的电旋转角θ_re相对于时间的微分而获得的信号被提供，并且用于在电流控制单元60中的去耦控制。

dq→三相转换部分61接收电动机的电旋转角θ_re、d轴电压指令值v_d*和q轴电压指令值v_q*作为输入，并输出U相电压指令值v_u*、V相电压指令值v_v*和W相电压指令值v_w*。PWM信号计算部分62控制逆变器部分103中的桥接的上半导体和下半导体的ON时间段之间的比率，以便根据相电压指令值的大小来输出电压作为电动机相电压。提供给半导体的ON/OFF指令称为PWM信号(提供总共六个PWM信号)。

如上所述，现有技术中的控制器计算响应于DC总线电压的变化的电压容限，并根据电压容限确定d轴电流指令值i_d*。然而，在控制器中，对q轴电流指令值i_q*施加不考虑实时电压约束而仅考虑电动机的N-τ(速度-扭矩)特性的限制，来确定q轴电流指令值i_q*。因此，存在这样的情况：由于高速电力运行状态下的电压约束而不能产生对应指令的扭矩，或者相较而言，由于存在过度限制，不能从电动机获得原理上可由电动机产生的最大扭矩的情况。

考虑到这种情况，本公开公开了一种电动机控制器，该电动机控制器能够在高速旋转期间使电动机的输出扭矩最大化，并且提高效率。

发明内容

本文公开的电动机控制器是一种控制器，其中通过使用两相旋转坐标系的运算来确定经由逆变器提供给电动机的电流。电动机控制器包括：q轴电流计算器以及电流矢量控制器，所述q轴电流计算器根据扭矩指令值计算q轴电流值,，所述电流矢量控制器基于q轴电流值、电动机的速度和逆变器的DC总线电压来计算q轴电流指令值和d轴电流指令值。在电动机控制器中，电流矢量控制器被配置为：基于电动机的速度和DC总线电压来确定在d-q平面上表示电流极限值的电压极限圆，电流极限值由DC总线电压产生的电压约束所限定；同时基于电压极限圆和预先确定的电流极限圆来计算q轴电流极限值，该预先确定的电流极限圆在d-q平面上表示由电动机的电流约束所限定的电流极限值；将通过极限处理获得的值确定为q轴电流指令值，极限处理是使用q轴电流极限值应用于在q轴电流计算器中计算出的q轴电流值的；以及基于q轴电流指令值来确定对应的d轴电流指令值。

此外，电流矢量控制器还被配置为：检测逆变器的DC总线电压以找到DC总线电压的变化；将所发现的DC总线电压的变化转换为电角速度的变化，从而识别对应于改变的电角速度的电压极限圆；确定电流矢量上由识别的电压极限圆和q轴限定的工作点；根据工作点计算q轴电流极限值I_{q_max}；并同时计算q轴电流指令值i_q*和d轴电流指令值i_d*。

当根据考虑到逆变器的DC总线电压的变化的电压约束，确定q轴电流极限值I_{q_max}，以最佳地获得q轴电流指令值i_q*和d轴电流指令值i_d*时，可以同时实现在高速旋转期间增加的输出扭矩和高效率控制。另外，将DC总线电压的变化转换为电角速度的变化可以有助于免于电流矢量极限图上的电角速度参数(ωa，ωb，ωc)的实时计算。

附图说明

将参考以下附图描述本公开的实施例，其中：

图1是示出用于永磁同步电动机的控制器的示例配置的框图；

图2是用于说明由用于永磁同步电动机的控制器中的电流矢量控制部分执行的计算算法的流程图；

图3是示出了在控制器中获得的速度指令值和电动机的速度的一个示例的图(在Δdc＝0的情况下)；

图4是示出了在控制器中得到的扭矩指令值、q轴电流指令值和d轴电流指令值的一个示例的图(在Δ_dc＝0的情况下)；

图5是示出了由控制器中的电流矢量控制部分在加速时执行的内部操作的一个示例的图(Δ_dc＝0的情况)；

图6是示出了由控制器中的电流矢量控制部分在减速时执行的内部操作的一个示例的图(Δ_dc＝0的情况)；

图7是示出了在控制器中得到的扭矩指令值、q轴电流指令值和d轴电流指令值的一个示例的图(Δ_dc>0的情况)；

图8是示出了由控制器中的电流矢量控制部分在加速时执行的内部操作的一个示例的图(Δ_dc>0的情况)；

图9是食醋了由控制器中的电流矢量控制部分在减速时执行的内部操作的一个示例的图(Δ_dc>0的情况)；

图10是表示永磁同步电动机的电流矢量的控制范围的电流矢量限制图；以及

图11是表示现有技术中的永磁同步电动机的控制器的示例配置的框图。

附图标记说明

1：电流矢量控制部分；

10、200：速度控制器；

50、58、59：减法器；

51、56：微分器；

52：速度控制单元；

53：扭矩电流转换器；

54：DC总线电压检测部分；

55：转换器；

57：三相→dq转换部分；

60：电流控制单元；

61：dq→三相转换部分；

62：PWM信号计算部分；

100：三相AC电源；

101：转换器部分；

102：大电容；

103：逆变器部分；

104：三相永磁同步电动机(电动机)；

105：位置检测器；

106u、106w：电流检测器。

具体实施方式

在下文中，将描述本公开的实施例。首先，将参考图10描述根据该实施例的q轴电流指令值i_q*和d轴电流指令值i_d*的计算原理。

在等式(1)中将描述用于永磁同步电动机的(d，q)轴坐标系电压的公知等式。这里，众所周知，包含在下面的等式中的感应电压常数Ke与扭矩电流转换器53中的扭矩常数Ke一致(参见图1和11)。

[等式1]

其中：V_d：d轴电压；V_q：q轴电压；i_d：d轴电流；i_q：q轴电流；P：微分算子；R:电阻；L：电感；ω_m：电动机速度(机械角度)；ω_re：电角速度；Ke：感应电压常数。

PWM逆变器受到由功率半导体的容许载流容量或其他因素产生的电流约束。该电流约束由等式(2)表示如下。

[等式2]

其中：Is_max：容许相电流(u，v，w)极限值；I_0max：与Is_max对应的(d，q)坐标系中的电流极限值。

同时，为了使用PWM逆变器来控制电动机的旋转，需要等式(1)中的DC总线电压V_dc和电压矢量V满足由以下等式(3)表示的关系。

[等式3]

其中：V_dc：DC总线电压；Vs_max：对应于V_dc的相电压(u，v，w)极限值；V_max：对应于Vs_max的(d，q)坐标系中的电压极限值。

上述等式表示出对于电动机控制所必要的是：应该抑制(d，q)坐标系中的电压的大小|V|，使其小于或等于DC总线电压V_dc的这里，将等式(1)中的电流矢量I作为DC量并且排除由电阻R产生的压降的量，电压极限值V_0max可以由等式(4)表示如下。

[等式4]

V_0max＝V_max-R·I_0max······(4)

除了满足由等式(2)表示的电流约束之外，等式(1)中的电压矢量V₀应保持等于或低于由等式(4)表示的电压极限值V_0max，以便按照指令来控制电动机的旋转。因此，电流矢量I除了满足等式(1)中电流约束的要求外还必须满足|V₀|＝V_0max的条件；即|V₀|≤-R·I_0max。

图10是表示永磁同步电动机的电流矢量I的控制范围的电流矢量极限图。根据等式(1)中的电压矢量V₀，电压约束可以由等式(5)表示如下。

[等式5]

因为电角速度ω_re等于电动机速度ω_m乘以极对数p(ω_re＝p·ω_m)，所以等式(5)表示其直径随着电动机速度ω_m的增加而逐渐变小的电压极限圆。电压极限圆是表示根据电压约束所确定的电流极限值的圆，该电压约束由DC总线电压引起。在图10中，细点线圆表示电压极限圆，其随|ω_re|的值而变化。此外，在图10中，细实线表示电流极限圆。电流极限圆是在d-q平面上表示根据电动机的电流约束而确定的电流极限值的圆。电流矢量I的控制区域位于由电流极限圆和电压极限圆之间的重叠所限定的内部区域内，并且在控制区域中，d轴电流i_d被控制在(-Ke/pL)≤i_d≤0的范围内，以便高效率地抑制电动机电压。

当电角速度ω_re在|ω_re|<ω_a的范围内时，由于没有电压约束，d轴电流i_d可以被认为是i_d＝0，并且仅在q轴上控制q轴电流。当电角速度ω_re在ω_a≤|ω_re|的范围内时，由于施加电压约束，电压同时受限于电流极限圆和电压极限圆。例如，在图10中，粗实线表示在|ω_re|＝ω_ab(其中ω_a≤ω_ab<ω_b)的电角速度ω_re处的工作点的转换。当|ω_re|＝ω_ab时，如图10所示，电压极限圆(从外侧开始的第二个细点线圆)在坐标(0，i_qab0)和(0，-i_qab0)处与q轴相交，并且还在坐标(i_dab，i_qab)和(i_dab，-i_qab)处与电流极限圆(细实线圆)相交。因此，当满足i_q<i_qab0时，d轴电流i_d可能为0。但是，当i_q≥i_qab0的关系成立时，电压矢量达到电压约束，这导致工作点从坐标(0，i_qab0)朝向电压极限圆上的坐标(i_dab，i_qab)转换。当关系变为i_q>i_qab时，由于电流约束，不允许提供q轴电流i_q。

当电角速度ω_re在ω_b≤|ω_re|的范围内，由于电压极限圆位于电流极限圆内，所以采用电压极限圆作为约束。在图10中，粗点划线表示在|ω_re|＝ω_bc(其中ω_b≤ω_bc<ω_c)范围内的电角速度ω_re的工作点的转换。当|ω_re|＝ω_bc，在工作点在电压极限圆上的情况下，可以在i_d＝0的条件下控制i_q<i_qbc0范围内的q轴电流i_q，直到q轴电流i_q达到i_q≤i_qbc的范围。当电角速度在ω_c≤|ω_re|的范围内时，如图10中的粗双点划线所示，由于即使当i_q＝0时也施加电压约束，所以d轴电流i_d在整个区域中处在i_d<0的范围内。因此，可以沿电压极限圆控制q轴电流i_q，直到达到i_q≤i_qcd的范围。

在图10中，粗点线表示q轴电流极限值I_{q_max}的转换。随着电角速度ω_re的增加，q轴电流极限值I_{q_max}逐渐减小。当q轴电流i_q成正号时，q轴电流极限值I_{q_max}的工作线(负载线)在电流矢量限制图中从A→B→C→D转换。另一方面，当q轴电流i_q是负号时，q轴电流极限值I_{q_max}在电流矢量限制图中从A'→B'→C'→D'转换。即，将电压极限圆与电流极限圆重叠的内部区域中的q轴坐标中具有最大绝对值的q轴坐标值作为q轴电流极限值I_{q_max}。将通过极限处理所获得的值作为q轴电流指令值i_q*，该极限处理是使用q轴电流极限值I_{q_max}对根据扭矩指令值计算出的q轴电流值所执行的。另一方面，对于d轴电流指令值i_d*，q轴坐标值与q轴电流指令值i_q*匹配，并且d轴坐标值具有电压极限圆与电流极限圆重叠的内部区域中的d轴坐标中的最小绝对值的一个点被确定，并且，将该所确定的点的d轴坐标值作为d轴电流指令值i_d*。

在该实施例中，基于电压约束来计算q轴电流极限值I_{q_max}，该电压约束是考虑到逆变器的由上述电压极限圆表示的DC总线电压的变化而确定的，并且随后基于计算出的q轴电流极限值I_{q_max}来确定q轴电流指令值i_q*和d轴电流指令值i_d*，从而使输出扭矩最大化并提高电动机高速旋转期间的效率。

接下来，参照图1，将说明根据该实施例的用于三相永磁同步电动机的速度控制器10。图1是示出本实施例中的三相永磁同步电动机的速度控制器10的结构的框图。以下将仅描述以上结合现有技术中的速度控制器的示例未说明的区别部件。

速度控制器10例如由包括CPU和存储器的微计算机组成。可替换地，速度控制器10可以由根据预定程序步骤来执行计算的一个电路，或者由两个或更多个这样的电路组成。在速度控制器10中，将来自扭矩电流转换器53的输出作为输入提供给电流矢量控制部分1。应当注意的是，扭矩电流转换器53的输出是应用极限处理之前阶段的q轴电流指令值。可以用由等式(5)限定的电压极限圆来描述电压约束表达式。从等式(5)可以证明，电压极限圆的尺寸(半径)与电角速度ω_re(电动机速度ω_m)成反比，并且与电压极限值V_0max成正比。根据等式(3a)和(4)，发现DC总线电压V_dc的变化Δ_dc以及电压极限值V_0max的变化ΔV_0max具有如下等式(6)所述的关系。

[等式6]

因此，对于电力运行和再生运行时的每个操作，如下限定包含电压变化的电压极限值V_{0max_v}。

[等式7]

这里，对于电压极限值V_{0max_v}，如下建立等式(8)。

[等式8]

因此，可以通过使用等式(9)将电角速度ω_re转换为考虑电压变化的电角速度ω_{re_v}来确定电流矢量限制图上的工作点，并且随后使用电角速度ω_{re_v}来选择电压极限圆。

[等式9]

在电流矢量控制部分1中，作为电动机参数的极对数p、绕组电感L、绕组电阻R和感应电压常数Ke，基于PWM逆变器的额定值或其他因素确定的DC总线参考电压V_dc、参考电压极限值V_0max和电流极限值I_0max，以及表示电流矢量极限图上的电角速度的电角速度参数ω_a，ω_b和ω_c被预设并存储在存储器中。电角速度参数ω_a、ω_b和ω_c表示电角速度ω_{re_v}的边界值，在这些边界值处，q轴电流指令值i_q*和d轴电流指令值i_d*的计算等式被改变。根据预设值、实时变化的电动机的电角速度ω_re以及检测到的DC总线电压变化值Δdc，电流矢量控制部分1基于下面将说明的计算算法来确定电流矢量限制图上的工作点，并基于所确定的工作点来计算随后被输出的q轴电流指令值i_q*和d轴电流指令值i_d*。

图2是用于说明在速度控制器10的电流矢量控制部分1中所采用的计算算法的流程图。首先，在步骤S1中，电流矢量控制部分1读取检测到的DC总线电压变化值Δdc。在步骤S2中，电流矢量控制部分1确定电动机的工作状态是电力运行状态还是再生状态。例如，当电动机速度ω_m和电动机加速度是具有相同符号的值时，电动机的工作状态被确定为电力运行状态，或者当它们是具有相反符号的值时，被确定为再生状态。当确定为电力运行状态时，操作进行到步骤S3，或者当确定为再生状态时，操作进行到步骤S4，并且在任一步骤中，电流矢量控制部分1基于等式(7)来计算结合了电压变化的电压极限值V_{0max_v}。操作进一步进行到步骤S5，在此，电流矢量控制部分1基于等式(9)将电角速度ω_re转换成考虑电压变化的电角速度ω_{re_v}。

从步骤S6到步骤S8，在电流矢量极限图上确定了工作点的域。量ω_a是表示在参考电压处受到电压约束的那些电角速度中的最小电角速度的电角速度参数，并且该电角速度的电压极限圆在图10中的电流矢量极限图上通过点A(或A')。电角速度参数ω_a由下面描述的等式(10)确定。在步骤S6中，电流矢量控制部分1确定电角速度的绝对值|ω_{re_v}|是否在|ω_{re_v}|<ω_a的范围内。

[等式10]

如果绝对值|ω_{re_v}|在|ω_{re_v}|≥ω_a的范围内，操作进行到步骤S7，在此，电流矢量控制部分1确定绝对值|ω_{re_v}|是否位于ω_a≤|ω_{re_v}|<ω_b的范围内。量ω_b是表示电角速度的电角速度参数，该电角速度是与位于在参考电压处的电流极限圆内的电压极限圆相关联的电角速度中最小的电角速度，并且该电角速度的电压极限圆在图10中的电流矢量限制图上通过点B(或B')。电角速度参数ω_b由等式(11)确定如下。

[等式11]

如果绝对值|ω_{re_v}|在|ω_{re_v}|≥ω_b的范围内，操作进行到步骤S8，在此，电流矢量控制部分1确定绝对值|ω_{re_v}|是否位于ω_b≤|ω_{re_v}|<ω_c的范围内。量ω_c是表示即使当q轴电流i_q等于0时也受到电压约束的电角速度中的最小电角速度的电角速度参数，并且电角速度的电压极限圆在图10中的电流矢量限制图上通过点C(或C')。电角速度参数ω_c由等式(12)确定如下。

[等式12]

如果绝对值|ω_{re_v}|在|ω_{re_v}|<ω_a的范围内(在步骤S6中确定为是)，则电动机速度尚未达到受到电约束的电角速度。在该范围的域中，可以在d轴电流i_d＝0的情况下执行控制，而可以提供q轴电流i_q，除非q轴电流i_q的值超过电流极限值I_0mx。在步骤S6_1中，将q轴电流指令值的绝对值|i_q*|与电流极限值I_0max进行比较，并当确定了|i_q*|>I_0max时，将操作进行到步骤S6_2，在此，使用电流极限值I_0max对q轴电流指令值i_q*执行极限处理。对于d轴电流指令值i_d*，在步骤S14中设定并输出i_d*＝0。

如果绝对值|ω_{re_v}|在ω_a≤|ω_{re_v}|<ω_b的范围内(在步骤S7中确定为是)，则变得有必要根据q轴电流i_q来确定d轴电流i_d。在图10中的电流矢量限制图中，q轴电流限制是由存在于A-B部分中的电压极限圆和电流极限圆的交点(i_dab，i_qab)限定，并且是通过如下等式(13)计算。

[等式13]

这里，引起电压约束的q轴电流i_q与来自于电压极限圆和q轴的交点(0，i_qab0)的i_qab0匹配，并且是通过如下等式(14)计算。

[等式14]

在步骤S7_1中，电流矢量控制部分1将通过等式(13)计算的i_qab的值分配给q轴电流极限值I_{q_max}。在步骤S7_2中，电流矢量控制部分1将通过等式(14)计算的i_qab0的值分配给电压极限起始q轴电流I_{q_max_0}。电压极限起始q轴电流I_{q_max_0}表示允许设定d轴电流指令值i_d*＝0的q轴电流指令值i_q*的最大值。当q轴电流指令值i_q*超过电压极限起始q轴电流I_{q_max_0}时，d轴电流指令值i_d*变为|i_d*|>0。

在绝对值|ω_{re_v}|满足ω_b≤|ω_{re_v}|<ω_c的关系的情况下(在步骤S8中确定为是)，还根据q轴电流i_q来确定d轴电流i_d。在图10中的电流矢量限制图中，q轴电流限制是由B-C部分中存在的电压极限圆和由i_d＝-Ke/pL限定的线(通过电压极限圆的圆心且与q轴平行的线)的交点(i_dbc，i_qbc)所限定，并且通过如下等式(15)计算。

[等式15]

在这种情况下，引起电压约束的q轴电流i_q与来自于电压极限圆和q轴的交点(0，i_qab0)的i_qab0匹配，并且通过如下等式(16)计算。

[等式16]

在步骤S8_1中，电流矢量控制部分1将通过等式(15)计算的i_qbc的值分配给q轴电流极限值I_{q_max}。在步骤S8_2中，电流矢量控制部分1将通过等式(16)计算的i_qbc的值分配给电压极限起始q轴电流I_{q_max_0}。

如果绝对值|ω_{re_v}|满足|ω_{re_v}|≥ω_c的关系(在步骤S8中确定为否)，则即使当q轴电流i_q为0时也施加电压约束，这意味着需要使用d轴电流i_d进行控制操作。q轴电流极限值由C-D部分中存在的电压极限圆和由i_d＝-Ke/pL限定的线(穿过电压极限圆圆心且与q轴平行的线)的交点(i_dcd，i_qcd)限定，并通过如下等式(17)计算。

[等式17]

在步骤S9_1中，电流矢量控制部分1将通过等式(17)计算的i_qcd的值分配给q轴电流极限值I_{q_max}。然后，在步骤S9_2中，电流矢量控制部分1设置I_{q_max_0}＝0作为电压极限起始q轴电流I_{q_max_0}。

如果绝对值|ω_{re_v}|满足|ω_{re_v}|≥ω_a的关系(步骤6中确定为否)，则在完成q轴电流极限值I_{q_max}和电压极限起始q轴电流I_{q_max_0}的设定之后，操作进行到步骤S10。在步骤S10中，电流矢量控制部分1在|ω_{re_v}|≥ω_a的范围内将q轴电流指令值的绝对值|i_q*|与q轴电流极限值I_{q_max}的值进行比较，其中在|ω_{re_v}|≥ω_a的范围内，q轴电流极限值I_{q_max}小于或等于电流极限值I_0max。如果确定了|i_q*|>I_{q_max}的关系，则在步骤S11中执行极限处理以限制q轴电流指令值i_q*不超过I_{q_max}。在步骤S12中，将q轴电流指令值的绝对值|i_q*|与电压极限起始q轴电流值I_{q_max_0}进行比较，并且如果发现|i_q*|<I_{q_max_0}的关系，则在步骤S14中将d轴电流指令值i_d*设定并输出为i_d*＝0。在另一方面，如果确定了|i_q*|≥I_{q_max_0}的关系，则取决于电压约束所需的i_d*的值在步骤S13中通过基于i_q*的等式(18)计算如下。

[等式18]

使用图2所示的上述计算算法所确定的d轴电流指令值i_d*和q轴电流指令值i_q*是考虑到电压变化，基于图10中的电流矢量极限图上的电压极限圆和电流极限圆所确定的工作点的坐标值，以便以最高效率产生最大输出扭矩。指令值i_d*和i_q*是从图1所示的电流矢量控制部分1输出的。

尽管该实施例中的计算算法在一些等式中包括平方运算和开平方根的运算，但是运算处理负荷几乎没有增加，因为实际运算可以利用预先创建的反正弦函数(θ＝sin^-1x)表和余弦函数(y＝cosθ)表来执行。例如，取x＝i_dab/I_0max，可以通过计算θ＝sin^-1x，然后计算i_qab＝I_0max·cosθ＝I_0max·y来获得等式13中的i_qab的值。

图3至图9示出了主要表示通过将速度指令值ω_m*输入到根据图1所示实施例的速度控制器中获得的电流矢量控制部分的响应的图，该速度指令值ω_m*是通过二次方加速/减速处理所获得的。横轴对应于用每个采样时间T_s＝0.1[ms]的采样数来表示的时间轴。采用的电动机和PWM逆变器的参数包括极对数p＝4，绕组电感L＝2.35[mH]，绕组电阻R＝0.2[Ω]，感应电压常数Ke＝0.764[V/(rad/s)]，DC总线(参考)电压V_dc＝283[V]，(基准)电压极限值V_0max＝175[V]，电流极限值I_0max＝124[A]，以及电角度速度参数ω_a＝504，ω_b＝800，ω_c＝918。另外，速度指令值ω_m*的峰值速度v_m*max相对于电动机额定速度2000[min^-1]被设定为v_m*max＝2500[min^-1]。

在图3至图6中，各图表示在检测到的DC总线电压变化值Δ_dc＝0[V]的情况下获得的响应。图3示出速度指令值ω_m*和电动机速度ω_m，而图4示出了扭矩指令值τ_c*、d轴电流指令值i_d*和q轴电流指令值i_q*。此外，图5示出了加速区域中的电流矢量控制部分的内部响应，而图6示出了减速区域中的电流矢量控制部分的内部响应。具体而言，图5和图6示出了电压极限值V_{0max_v}、感应电压ω_mKe、q轴电流极限值I_{q_max}、电压极限起始q轴电流I_{q_max_0}、d轴电流指令值i_d、以及q轴电流指令值i_q*等作为表示内部响应的参数的变化。在加速的最后阶段，q轴电流指令值i_q*被限制为I_{q_max}的值，而在减速区域中，由于建立了再生状态，因此电压极限值V_{0max_v}增加，导致线性响应而不限制q轴电流指令值i_q*。

应当注意的是，尽管电角速度参数(ω_a，ω_b和ω_c)是常数值，但是因为每个值表示在图中匹配电角速度ω_{re_v}的时序，所以被转换为电动机速度ω_m(＝ω_re/p)的值在电力运行操作和生成工作操作(其中电压极限值V_{0max_v}彼此不同)之间(图5和图6中的图)不一致。

图7至图9是表示在检测到的DC总线电压变化值Δ_dc＝40[V]的情况下获得的响应的图。速度指令值ω_m*与图3中的相同。图7的图对应于图4中的图，并且图8和图9中的图分别对应于图5和图6中的图。如图7至图9所示，由于增加的DC总线电压产生电压容限，所以q轴电流极限值I_{q_max}被增加电压容限的量，结果即使在加速区域也可以获得线性响应而不会导致i_q*的值被限制为I_{q_max}的值。

Claims (6)

1.一种电动机控制器，其中，使用两相旋转坐标系计算通过逆变器向电动机提供的电流，所述电动机控制器包括：

q轴电流计算器，其根据扭矩指令值计算q轴电流值；以及

电流矢量控制器，其基于所述q轴电流值、所述电动机的速度和所述逆变器的DC总线电压来计算q轴电流指令值和d轴电流指令值，其中，

所述电流矢量控制器被配置为：

基于所述电动机的所述速度和所述DC总线电压来确定在d-q平面上表示电流极限值的电压极限圆，所述电流极限值由所述DC总线电压产生的电压约束所限定，

同时基于所述电压极限圆和预先确定的电流极限圆来计算q轴电流极限值，所述预先确定的电流极限圆在所述d-q平面上表示由所述电动机的电流约束所限定的电流极限值，

将通过极限处理获得的值确定为q轴电流指令值，所述极限处理是使用所述q轴电流极限值应用于在所述q轴电流计算器中计算出的所述q轴电流值的，以及

基于所述q轴电流指令值来确定对应的d轴电流指令值。

2.根据权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于，所述电流矢量控制器还被配置为，将由所述电压极限圆和所述电流极限圆之间的重叠限定的内部区域中所包含的q轴坐标值中具有最大绝对值的q轴坐标值确定为所述q轴电流极限值。

3.根据权利要求2所述的电动机控制器，其特征在于，所述电流矢量控制器还被配置为，将所述内部区域中的点的d轴坐标值确定为所述d轴电流指令值，所述点的q轴坐标值与通过所述极限处理获得的q轴电流指令值匹配，并且所述点的d轴坐标值具有在所述内部区域中所包含的d轴坐标值中的最小绝对值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机控制器，其特征在于，所述电流矢量控制器还被配置为：

将所述电动机的电角速度乘以由所述DC总线电压的变化产生的所述电压约束的变化率，以获得考虑电压的变化的电角速度，以及

基于考虑到电压的变化而获得的所述电角速度来确定所述电压极限圆。

5.根据权利要求4所述的电动机控制器，其特征在于，所述电流矢量控制器还被配置为预先存储电角速度参数作为常数，所述电角速度参数表示考虑到电压的变化而获得的所述电角速度并且导致用于计算所述q轴电流指令值和所述d轴电流指令值的等式被改变。

6.根据权利要求5所述的电动机控制器，其特征在于：

所述电流矢量控制器还被配置为：

同时基于所述电压极限圆和所述电流极限圆来确定电压极限起始q轴电流，所述电压极限起始q轴电流是允许将d轴电流设定为零的q轴电流值中的最大q轴电流值；以及

存储第一电角速度参数、第二电角速度参数以及第三电角速度参数，所述第一电角速度参数表示施加所述电压约束时的最小电角速度，所述第二电角速度参数表示其电压极限圆位于所述电流极限圆内的最小电角速度，所述第三电角速度参数表示所述电压极限起始q轴电流变为零时的最小电角速度；以及

当考虑到电压的变化而获得的所述电角速度的绝对值小于所述第一电角速度参数的值时，所述电流矢量控制器将由所述电动机的所述电流约束限定的所述电流极限值确定为所述q轴电流极限值，

所述电流矢量控制器将所述电流极限圆与所述电压极限圆相交的点的q轴坐标值作为所述q轴电流极限值，并且，当考虑到电压的变化而获得的所述电角速度的绝对值大于或等于所述第一电角速度参数的值并且小于所述第二电角速度参数的值时，所述电流矢量控制器将所述电压极限圆和q轴相交的点的q轴坐标值确定为所述电压极限起始q轴电流，

所述电流矢量控制器将所述电压极限圆和电压圆心线相交的点的q轴坐标值确定为所述q轴电流极限值，所述电压圆心线穿过所述电压极限圆的圆心并且与所述q轴平行，并且，当考虑到电压的变化而获得的所述电角速度的绝对值大于或等于所述第二电角速度参数的值并且小于所述第三电角速度参数的值时，所述电流矢量控制器将所述电压极限圆和所述q轴相交的点的q轴坐标值确定为所述电压极限起始q轴电流，以及

所述电流矢量控制器将所述电压极限圆和所述电压圆心线相交的点的q轴坐标值确定为所述q轴电流极限值，并且，当考虑到电压的变化而获得的所述电角速度的绝对值大于或等于所述第三电角速度参数的值时，所述电流矢量控制器将所述电压极限起始q轴电流设定为零。