CN114337438A - 旋转电机的瞬态操作的开环控制 - Google Patents

Abstract

旋转电机的瞬态操作的开环控制。本发明公开了一种用于控制可变磁通电机（VFM）的瞬态操作的方法，所述方法包括在分流角转变期间，当在预定操作区域（例如，每安培最大转矩或弱磁）中操作时，接收命令分流角和测量分流角。所述方法包括计算在所述分流角转变的持续时间内维持所述VFM的输出转矩电平所需的d轴和q轴增量电流项（ΔI_d和ΔI_q），然后应用所需的ΔI_d和ΔI_d项作为前馈项以根据相应查找表调整d轴电流（I_d）项和q轴电流（I_q）项。以这种方式，所述控制器在所述分流角转变期间维持所述VFM的所述输出转矩水平。电动动力系包括所述VFM、TPIM和所述控制器。可通过用温度代替分流角来控制PM电机。

Description

旋转电机的瞬态操作的开环控制

背景技术

在各种机电***中，旋转电机将转矩递送到耦合负载。例如，在典型的径向磁通型电机中，转子由定子界定。当定子的励磁绕组被高压电源依次通电时，转子和整体连接的转子轴一起一致地旋转，该高压电源通常是电源逆变器模块和多单元电池组。由这种机器旋转生成的转矩被传递到耦合负载以取决于应用执行工作，例如，生成电力，起动和启动内燃机，或为道路车轮、螺旋桨叶片、传动带或其他从动负载提供动力。

在永磁（PM）电机中，强永磁体被表面安装到转子的单独铁质叠片上或嵌入在转子的单独铁质叠片内。永磁体被布置成围绕转子的圆周形成交替的磁南北极。旋转定子场与永磁体的强磁场相互作用以将旋转力施加到转子轴。定子绕组的输入电压的外部控制最终控制由PM电机产生的速度和输出转矩。通电的PM电机生成反电动势（反EMF），该反电动势与通电的定子绕组的电压相反。因此，通常在较高旋转速度下使用弱磁技术来减小反EMF的量值。与PM电机相比，可变磁通电机（VFM）具有在操作期间改变磁通水平的能力。因此，VFM能够在较高能量效率水平下提供相对较高的输出转矩，而PM电机在高速/低负载操作状况下趋于经历较高的能量损失。

可在旋转电机的磁通路径内改变磁通以改变电机的反EMF，例如通过使用电机退磁或磁化、机械磁通分流元件或上述弱磁技术。典型VFM可改变嵌入在电机内的硬件设备的位置或角度（分流角）以赋予通过磁场路线或分流场的磁通的有目的的方向改变。在用于VFM或纯PM电机时，弱磁技术具有减小电机的定子磁场电流和反EMF的最终效果。

发明内容

本文公开了用于使用开环/前馈控制策略来控制旋转电机的瞬态响应的控制***、相关联的控制逻辑和方法。本文所述的解决方案旨在改进可变磁通电机（VFM）中的转矩瞬态响应的总体速度和精度，其中本教示可容易地扩展到使用本文所述的简单的基于温度的参数替换的对永磁（PM）电机的实时控制和热调节。

如本领域普通技术人员将理解的，计算机控制的动力***（诸如旋转电机）在其持续操作的过程中将呈现出单独的稳态和瞬态操作周期。例如，由在恒定操作温度下被供应恒定电压的推进牵引马达产生的输出转矩最终将产生相对可预测的稳态转矩。给定电机的稳态转矩响应通常在控制***中作为一组转矩-旋转速度曲线可用。相关联的马达控制处理器、分级控制器和相关联的控制逻辑可依赖电机的稳态转矩响应以便以可预测和可重复的方式为驱动负载供电。

与稳态转矩响应相反，电机的瞬态转矩响应是电机对在稳态操作之前或之后的一个或多个改变的输入条件的独特时变响应。相对较慢和/或较大的转矩瞬变可加剧噪声、振动和粗糙度（“NVH”）效应。例如，在具有由电动牵引马达驱动的电动动力系的机动车辆中，过度突变的转矩瞬态响应可被认为是不期望的转矩扰动，并因此被认为是降低的驱动质量。因此，本开环控制策略寻求在最大每安培转矩（MTPA）和弱磁（FW）控制区域中优化旋转电机的转矩瞬态响应的速度和精度，包括有利于VFM和PM电机实施例的应用。

用于控制VFM的瞬态操作的方法的示例性实施例包括，在所述VFM的分流角转变期间，在所述VFM在预定控制区域中的操作期间接收所述VFM的命令分流角和所述VFM的测量分流角。所述方法还包括经由控制器计算在所述分流角转变的持续时间内维持所述VFM的输出转矩水平所需的d轴增量电流（ΔI_d）项和q轴增量电流（ΔI_q）项，以及应用所需的ΔI_d项和所需的ΔI_d项作为前馈项。这具有以下效果：分别根据相应查找表调整d轴电流（Id）项和q轴电流（I_q）项，由此在所述分流角转变期间维持所述VFM的所述输出转矩水平。

所述预定控制区域可以是每安培最大转矩（MTPA）操作区域或弱磁（FW）控制区域。

所述方法还可包括在所述FW控制区域期间接收所述VFM的命令转矩；根据直流总线电压和所述VFM的旋转速度确定稳态增量电流（ΔI_ss）项；以及在应用所述前馈项之前，使用所述命令转矩和所述ΔI_ss项来调整所述I_d项和所述I_q项。

在一些实施例中，确定所述ΔI_ss项包括将调制指数命令乘以所述VFM的当前电旋转速度以导出调制值，以及然后将所述调制值馈送通过比例-积分块以导出所述ΔI_ss项。

计算所述dΔI_d项和所述ΔI_q项可包括通过一个或多个平均电感查找表处理所述命令分流角、所述测量分流角、命令d轴电流和命令q轴电流，由此分别确定与所述测量分流角和所述命令分流角相关联的平均d轴电感和平均q轴电感。

所述方法可包括将直流总线电压、转矩转换命令和所述VFM的旋转速度提供到所述单独的d轴和q轴电流命令查找表中；以及使用所述直流总线电压、所述转矩转换命令和所述旋转速度经由所述单独的d轴和q轴电流命令查找表来确定所述I_d项和所述I_q项。

可在所述方法的一些实施例中使用具有转矩命令计算块和转矩估计块的转矩控制回路。所述转矩命令计算块可根据所述命令分流角、命令d轴电流和命令q轴电流确定命令转矩。所述转矩估计块可根据所述测量分流角、所述命令d轴电流和所述命令q轴电流确定估计转矩。所述命令d轴电流和所述命令q轴电流分别是经调整的I_d项和经调整的I_q项。

本文还公开了一种电动动力系。在示例性实施例中，所述电动动力系包括VFM；牵引功率逆变器模块（TPIM），所述牵引功率逆变器模块（TPIM）连接到所述VFM；以及控制器，所述控制器与所述VFM和所述TPIM通信。所述控制器被配置为执行上述方法。

所述方法的另一个实施例适于控制永磁（PM）电机的瞬态操作。在所述PM电机在所述MTPA控制区域中的操作期间，该方法包括接收所述PM的命令温度和测量温度，以及然后经由控制器使用所述命令温度、所述测量温度、命令d轴电流和命令q轴电流来计算通过所述MTPA区域中的所述PM电机的温度变化来维持所述电机的输出转矩水平所需的d轴增量电流（ΔI_d）项和q轴增量电流（ΔI_q）项。

所述方法可包括将直流总线电压、转矩转换命令和所述PM的旋转速度提供到单独的d轴和q轴电流命令查找表中；以及使用所述直流总线电压、所述转矩转换命令和所述旋转速度经由所述单独的d轴和q轴电流命令查找表来确定所述I_d项和所述I_q项。然后应用所需的ΔI_d项和所需的ΔI_d项作为前馈项以分别调整所述I_d项和所述I_q项，由此在所述分流角转变期间维持所述VFM的所述输出转矩水平。

本发明还提供了以下技术方案：

1. 一种用于控制可变磁通电机（VFM）的瞬态操作的方法，所述方法包括：

在所述VFM的分流角转变期间，在所述VFM在预定控制区域中的操作期间接收所述VFM的命令分流角和所述VFM的测量分流角；

经由控制器计算在所述分流角转变的持续时间内维持所述VFM的输出转矩水平所需的d轴增量电流（ΔI_d）项和q轴增量电流（ΔI_q）项；以及

应用所需的ΔI_d项和所需的ΔI_d项作为前馈项以分别根据相应查找表调整d轴电流（I_d）项和q轴电流（I_q）项，并且由此在所述分流角转变期间维持所述VFM的所述输出转矩水平。

2. 根据技术方案1所述的方法，其中所述预定控制区域是每安培最大转矩（MTPA）操作区域。

3. 根据技术方案1所述的方法，其中所述预定控制区域是弱磁（FW）控制区域。

4. 根据技术方案3所述的方法，还包括：

在所述FW控制区域期间接收所述VFM的命令转矩；

根据直流总线电压和所述VFM的旋转速度确定稳态增量电流（ΔI_ss）项；以及

在应用所述前馈项之前，使用所述命令转矩和所述ΔI_ss项来调整所述I_d项和所述I_q项。

5. 根据技术方案4所述的方法，其中确定所述ΔI_ss项包括将调制指数命令乘以所述VFM的当前电旋转速度以导出调制值，以及然后将所述调制值馈送通过比例-积分块以导出所述ΔI_ss项。

6. 根据技术方案1所述的方法，其中计算所述dΔI_d项和所述ΔI_q项包括通过一个或多个平均电感查找表处理所述命令分流角、所述测量分流角、命令d轴电流和命令q轴电流，由此分别确定与所述测量分流角和所述命令分流角相关联的平均d轴电感和平均q轴电感。

7. 根据技术方案1所述的方法，还包括：

将直流总线电压、转矩转换命令和所述VFM的旋转速度提供到所述单独的d轴和q轴电流命令查找表中；以及

使用所述直流总线电压、所述转矩转换命令和所述旋转速度经由所述单独的d轴和q轴电流命令查找表来确定所述I_d项和所述I_q项。

8. 根据技术方案1所述的方法，还包括具有转矩命令计算块和转矩估计块的转矩控制回路，其中所述转矩命令计算块被配置为根据所述命令分流角、命令d轴电流和命令q轴电流确定命令转矩，其中所述转矩估计块被配置为根据所述测量分流角、所述命令d轴电流和所述命令q轴电流确定估计转矩，并且其中所述命令d轴电流和所述命令q轴电流分别是经调整的I_d项和经调整的I_q项。

9. 一种电动动力系，包括：

可变磁通电机（VFM）；

牵引功率逆变器模块（TPIM），所述牵引功率逆变器模块（TPIM）连接到所述VFM；以及

控制器，所述控制器与所述VFM和所述TPIM通信，并且被配置为：

在所述VFM的分流角转变期间，当在预定控制区域中操作所述VFM时，接收所述VFM的命令分流角和测量分流角；

计算在所述分流角转变的持续时间内维持所述VFM的输出转矩水平所需的d轴增量电流（ΔI_d）项和q轴增量电流（ΔI_q）项；以及

应用所需的ΔI_d项和所需的ΔI_d项作为前馈项以分别根据相应查找表调整d轴电流（I_d）项和q轴电流（I_q）项，并且由此在所述分流角转变期间维持所述VFM的所述输出转矩水平。

10. 根据技术方案9所述的电动动力系，其中所述预定控制区域是每安培最大转矩（MTPA）操作区域。

11. 根据技术方案9所述的电动动力系，其中所述预定操作区域是弱磁（FW）控制区域。

12. 根据技术方案11所述的电动动力系，其中所述控制器被配置为：

在所述FW控制区域期间接收所述VFM的命令转矩；

根据直流总线电压和所述VFM的旋转速度确定稳态增量电流（ΔI_ss）项；以及

在应用所述前馈项之前，使用所述命令转矩和所述ΔI_ss项来调整所述I_d项和所述I_q项。

13. 根据技术方案12所述的电动动力系，其中所述控制器被配置为通过以下方式来确定所述ΔI_ss项：将调制指数命令乘以所述VFM的当前电旋转速度以导出调制值，以及然后将所述调制值馈送通过比例-积分块以导出所述ΔI_ss项。

14. 根据技术方案9所述的电动动力系，其中所述控制器被配置为通过以下方式来计算所述dΔI_d项和所述ΔI_q项：通过一个或多个平均电感查找表处理所述命令分流角、所述测量分流角、命令d轴电流和命令q轴电流，由此分别确定与所述测量分流角和所述命令分流角相关联的平均d轴电感和平均q轴电感。

15. 根据技术方案9所述的电动动力系，其中所述控制器被配置为：

将直流总线电压、转矩转换命令和所述VFM的旋转速度提供到所述单独的d轴和q轴电流命令查找表中；以及

使用所述直流总线电压、所述转矩转换命令和所述旋转速度经由所述单独的d轴和q轴电流命令查找表来确定所述I_d项和所述I_q项。

16. 根据技术方案9所述的电动动力系，其中所述控制器包括转矩控制回路，所述转矩控制回路具有转矩命令计算块，所述转矩命令计算块被配置为根据所述命令分流角、命令d轴电流和命令q轴电流确定命令转矩，以及转矩估计块，所述转矩估计块被配置为根据所述测量分流角、所述命令d轴电流和所述命令q轴电流确定估计转矩，其中所述命令d轴电流和所述命令q轴电流分别是经调整的I_d项和经调整的I_q项。

17. 根据技术方案19所述的电动动力系，还包括：连接到所述VFM的驱动负载。

18. 根据技术方案17所述的电动动力系，其中所述驱动负载包括机动车辆的一个或多个道路车轮。

19. 一种用于控制永磁（PM）电机的瞬态操作的方法，所述方法包括：

在所述PM电机在每安培最大转矩（MTPA）控制区域中的操作期间，接收所述PM的命令温度和测量温度；

经由控制器使用所述命令温度、所述测量温度、命令d轴电流和命令q轴电流来计算通过所述MTPA区域中的所述PM电机的温度变化维持所述电机的输出转矩水平所需的d轴增量电流（ΔI_d）项和q轴增量电流（ΔI_q）项；

将直流总线电压、转矩转换命令和所述PM的旋转速度提供到单独的d轴和q轴电流命令查找表中；

使用所述直流总线电压、所述转矩转换命令和所述旋转速度经由所述单独的d轴和q轴电流命令查找表来确定所述I_d项和所述I_q项；以及

应用所需的ΔI_d项和所需的ΔI_d项作为前馈项以分别调整所述I_d项和所述I_q项，由此在所述分流角转变期间维持所述VFM的所述输出转矩水平。

20. 根据技术方案19所述的方法，其中计算所述I_d项和所述I_q项包括通过对应查找表处理所述命令温度、所述测量温度、所述命令d轴电流和所述命令q轴电流，由此分别确定所述PM电机的命令转矩和估计转矩。

附图说明

通过以下结合附图和所附权利要求进行的对用于实施本公开的实施例和最佳模式的详细描述，本公开的上述和其他特征和优点将变得显而易见。

图1是具有电动动力系的示例性机动车辆的示意图，该电动动力系具有如本文所述配置的旋转电机和控制***，其中图1描绘了稳态操作。

图2是在每安培最大转矩（MTPA）控制区域中操作VFM时提供可变磁通电机（VFM）的瞬态转矩控制的示意性开环控制逻辑图。

图3是由d轴和q轴电流引用或索引并用作图2逻辑的一部分的示例性电感表的示意性曲线图。

图4是在弱磁（FW）控制区域中操作时的示例性VFM的瞬态转矩控制的示意性开环控制逻辑图。

图5是示意性开环控制逻辑图，其提供了图2所示的实施例的替代实施例，并且在MTPA控制区域中的永磁（PM）电机的控制期间提供了热适应。

图6和图7分别是在MTPA和FW控制区域中操作的VFM的组合开环/闭环控制逻辑（“混合逻辑”）实施例的示意性控制逻辑图。

图8是示意性混合控制逻辑图，其提供了用于在MTPA控制区域中控制PM电机时使用的任选热适应。

具体实施方式

本公开容易受到许多不同形式的实施例的影响。本公开的代表性示例在附图中示出，并在此作为所公开原理的非限制性示例进行详细描述。为此，在摘要、背景技术、发明内容和具体实施方式部分中描述但在权利要求书未明确阐述的要素和限制不应通过暗示、推断或以其他方式单独或集体地并入权利要求书中。

为了本说明书的目的，除非特别声明，单数的使用包括复数，反之亦然，术语“和”和“或”应是合取和析取的，“任何”和“全部”应都意味着“任何和全部”，并且词语“包括”、“包含”、“包括”、“具有”等应意味着“包括但不限于”。此外，诸如“约”、“几乎”、“基本上”、“一般”、“近似”等近似的词语可以在本文中以“处于、接近或附近”、或“在0-5%内”、或“在可接受的制造公差内”或其逻辑组合的意义使用。

参照附图，其中相同的附图标记指代相同的部件，图1示意性地描绘了稳态控制区域中的机动车辆10，其中机动车辆10具有车身11、电动动力系12和与路面15滚动接触的一个或多个道路车轮13。尽管为了说明简单的目的而省略，电动动力系12还包括车载电源，诸如高压直流电池组，其具有应用合适数量的高能可再充电电池单元，例如锂离子电池单元或由另一种合适电池化学物质构造的单元。

这种类型的电池组以受控方式放电以便使旋转电机（M_E）14的相绕组通电，该旋转电机继而可被实施为根据本文参考图2-8描述的代表性实施例的可变磁通电机（VFM）或永磁（PM）电机。电机14可任选地被配置为用于在电动动力系12中用作主转矩源的电动牵引马达，其中处于这种配置的电机14可操作以用于生成处于足以推动机动车辆10的水平的马达转矩（箭头T_M）或作为用于对上述电池组进行再充电的发电机。

图1的机动车辆10还可包括本文中未具体描述的附加转矩源，例如内燃机和/或附加电机14，并且因此图1的代表性实施例旨在说明本教导内容并且非限制性。电机14的有益应用不限于一般的移动应用或具体的车辆推进应用。本领域普通技术人员将理解，当使用以下参考剩余附图描述的策略进行控制时，所公开的电机14的附带益处可扩展到依赖于马达转矩（箭头T_M）使用的固定和移动应用，例如，船艇、飞机、轨道车辆、移动平台、机器人、动力装置、洗衣机或其他器具、或其他固定或移动***。

电机14可包括大致上述类型的同心布置的转子14R和定子14S。因此，磁路存在于转子14R和定子14S的叠层结构中，横跨转子14R和定子14S之间的小气隙（未示出），并且可能横跨由转子14R限定的小气穴。这种磁路内的磁通路径在电机14（例如，VFM）的某些结构中变化，诸如通过经由移动或偏斜定相机构或使用其他分流元件在电机14的特定操作点以目标方式选择性地对磁通进行分流。被动控制或主动控制的偏斜操作增加或减少电机14的转矩能力，如本领域普通技术人员将理解的，并且如上所述。因此，命令分流角是在电机14的操作控制中可依赖的特定控制变量。这种控制单元在图1中示意性地表示为控制器（C）50。

控制器50与图1中所示的TPIM 16结合可用于响应于输入信号（箭头CC_I）来调节电机14的正在进行的瞬态和稳态操作，其中控制器50经由将控制信号（箭头CC_O）有线或无线传输到电机14和/或其相关联的逻辑块来这样做，如本文所述和图2-8所示。例如，控制器50可使用对应传感器（未示出）、建模和/或计算来监测电机14的旋转速度、温度和转矩，并且可在某些转矩-速度操作点处或根据其他需要从每安培最大转矩（MTPA）模式选择性地转变到弱磁（FW）控制模式。

控制器50可物理地体现为一个或多个电子控制单元或计算机节点，其各自具有所需的存储器（M）和处理器（P）以及其他相关联的硬件和软件，例如时钟或定时器、输入/输出电路、缓冲电路等。存储器（M）可包括足够量的只读存储器，例如磁或光存储器。体现控制方法的命令可作为为计算机可读命令100编程到存储器（M）中，并且在车辆10的操作期间由处理器（P）执行，由此优化操作效率以使用图2-8的各种实施例来实现控制策略。术语“控制器”为了简单起见在本文使用，并且包括控制模块、单元、处理器及其排列，包括逻辑电路、专用集成电路（ASIC）、电子电路、中央处理单元、微处理器和提供下文所述的编程功能所需的其他硬件。

仍然参考图1，如上大体所述，控制器50的核心硬件和编程存储元件用于控制电机14的稳态操作，以及调节电机14在瞬态响应期间的操作。例如，图1的示意性描述的控制逻辑可在电机14的任选VFM实施例的稳态操作期间使用。

作为输入信号（箭头CC_I）的一部分，例如，控制器50可以接收一组马达控制输入20，其被示为马达转矩转换命令

，其中转换速率在本文定义为电机转矩命令的每单位时间的命令变化率。马达控制输入20还包括馈送电动动力系12和旋转电机14的牵引功率逆变器模块（TPIM）16的当前DC总线电压（V_DC），以及转子14R的绝对测量或实际/报告速度

。

电机控制输入20被馈送到已校准查找表22中，即查找表22A、22B和22C，它们中的每一者被编程到控制器50中或可由控制器访问并由马达控制输入20索引。在所示实施例中，查找表22A（“分流位置命令表”）提供对应分流角命令（f^* _shunt），查找表22B（“D轴命令表”）提供对应纵轴（d轴）电流命令（I_d ^*），并且查找表22C（“Q轴命令表”）提供对应正交轴（q轴）命令（I_q ^*）。此类查找表22A、22B和22C可由命令马达/电转矩（T_e ^*）索引，如图所示。

仍然参考图1，来自查找表22B和22C的输出值可被添加到相应的d轴和q轴控制项，本文中被称为“增量电流命令”值

和

，其中星号上标（^*）指示命令值。可使用对应限制块24（例如，限制块24A、24B或24C），将

和

值的速率限制在已校准的可允许的最大/最小转换速率内。校正的和速率受限的d轴和q轴电流命令

和

然后被馈送到电流控制块26（“电流控制”），在本领域中称为电流控制器，其中电流控制块26被配置为将d轴和q轴电流命令

和

分别转换成对应的d轴和q轴电压命令

和

。

由电流控制块26输出的d轴和q轴电压命令

和

随后由控制器50在调制过程中使用，例如通过将d轴和q轴电压命令

和

馈送到PWM控制块（“PWM”）28中，该PWM控制块继而将a、b和c相位切换命令（Da、Db、Dc）输出到TPIM 16，如本领域普通技术人员将理解的。作为响应，TPIM 16控制容纳在其中的开关管芯中的半导体开关（未示出）的导通/关断状态，其中TPIM 16然后向定子14S输出多相电压（VAC）以致使转子14R旋转，并且由此向道路车轮13提供动力。

在图1所描绘的示例性稳态控制逻辑中，来自限制块24A的速率受限分流位置命令（f^* _shunt）可被馈送到消息传递块（“MSG”）29中。例如，控制器50可使用合适的协议，使用控制器局域网（CAN）总线在机动车辆10上接收和发射数据消息。消息传递块29可被配置为根据需要将CAN消息转换成合适的传输控制命令。然后将对应控制信号提供给分流控制块（“分流控制器”）30，即逻辑块和相关联的硬件，其被配置为调整在电机14的磁通路径内使用的分流元件（未示出）的分流角。

分流控制块30还被配置为例如使用角度编码器或其他合适的位置传感器来测量和报告实际分流位置（f_shunt）。通信中继块32将实际分流位置中继到旋转电机14，例如，中继到电机14内的马达控制处理器或MCP，例如作为CAN消息（“到MCP的CAN消息”）。如本领域普通技术人员将理解的，分流控制块30可以与逻辑的其余部分驻留在相同的控制单元内，在这种情况下，不需要上述CAN消息传递。

图2-8示出了除了图1的稳态控制之外可用于改善旋转电机14的瞬态响应的开环控制方案。通常，各种控制选项提供前馈控制方案，其中在转子14R的分流角转变期间在线/实时地计算去耦的ΔI_d和ΔI_q项。因此，本方法不需要校准或调谐。同样，当在弱磁（FW）控制区域中操作时，下面阐述的解决方案不会导致大转矩瞬变。

在各种实施例中，通过电流和分流角命令来估计转矩命令，而不是使用直接转矩命令作为控制输入。电流命令也基于测量分流角更新，如下所述。一些实施例保持反馈控制元件，例如图6-8的组合实施例，而各个实施例共同提供了可用作图1的代表性机动车辆10或具有电动动力系12和/或旋转电机14的其他***的一部分的开环配置。

参考图2，当电机14被体现为VFM时，并且特别是在MTPA控制区域中操作的电机14的VFM实施例的操作期间，可使用示意性描述的开环控制逻辑50L来控制图1的旋转电机14的瞬态响应。如本领域普通技术人员将理解的，在图1的定子14s内发生的电阻损耗取决于馈送到单独定子绕组中的相电流的量值。因此，在MTPA控制区域中的电机14的操作力求使电机14在给定电流量值下的输出转矩（箭头T_M）最大化。当分流角改变时，电机14中的反EMF也将改变，这继而导致输出转矩（图1的箭头T_M）发生改变。因此，当在MTPA控制区域中使用时，图2的控制逻辑50L可帮助加快总瞬态响应时间并平滑可能的转矩扰动。

开环控制逻辑50L包括标准化块34（“标准化”），其被配置为接收d轴和q轴电流反馈命令I_d ^*fd和I_q ^*fd，它们是图2中最右处示出的相同的实际d轴和q轴电流命令。顾名思义，标准化块34对d轴和q轴电流命令进行标准化以输出所得的稳态电流（Iss）。可使用稳态电流（Iss）来参考查找表36（“MTPA β角查找”），其中对应磁通角（β）从查找表36输出并经由功能块37（“

”进行处理以确定系数值（“Coeff”）。

图2的开环控制逻辑50L还被配置为接收上述命令分流角（f^* _shunt）、命令d轴电流（I_d ^*）和命令q轴电流（I_q ^*）以及测量/实际分流角（f_shunt），例如作为CAN消息。查找表38A和38B（“平均电感查找”）接收命令d轴电流和q轴电流I_d ^*和I_q ^*以及命令分流角（查找表38A）和实际分流角（查找表38B）。

查找表38A和38B一起允许图1的控制器50根据命令分流角（查找表38A）（即L_{d_avg_Shunt} ^*和L_{q_avg_Shunt} ^*）以及根据实际/测量的分流角（查找表38B）（即L_{d_avg_ShuntMeas}和L_{q_avg_ShuntMeas}）确定对应d轴和q轴平均电感贡献。同样，查找表38A和38B分别提供平均磁通贡献λ_{_avg_Shunt} ^*和λ_{_avg_ShuntMeas}。

控制器50还包括增量电流求解器逻辑块40（“增量电流求解器”），其被配置为接收来自功能块37和查找表38A和38B的各种输入，并输出对应的d轴和q轴电流增量值ΔI_d和ΔI_q。继而，通过限制器块24处理ΔI_d和ΔI_q以生成对应d轴和q轴电流增量命令ΔI_d ^*和ΔI_q ^*，其在图1所示和上文所述的d轴和q轴命令表22B和22C的下游使用。

电机14的磁通将在分流角转变期间改变，并因此在转变期间引起转矩误差。然而，在本文中认识到，每个分流角将具有唯一电流命令，如果应用该电流命令，则其将致使所生成的转矩与转矩命令匹配，由此消除转矩误差。因此，图1的控制器50计算在每个相应分流角下所需的增量电流，以保持电机14通过分流角转变输出的转矩水平。

为此，并且假设ΔI_q=KΔI_d，其中K由块37计算，图1的控制器50可自动地设置等于经调整转矩的命令转矩（T^*），即：

其中P是电机14的磁极数，St是分流角，

是马达磁通，并且L是电感，并保留d轴和q轴下标。

假设由于电流变化引起的电感变化很小，则可以估计q轴和d轴的平均电感作为控制逻辑50L的一部分。可为此目的使用示例性电感查找表以产生如图3中的39处所示的结果。也就是说，对于给定的I_d和I_q对，这样的表可具有对应L_d和L_q值。由于在控制电路50L中使用开环控制，因此不预先知道电流变化的方向，并且因此如图3所示，可使用相邻的四个电流（A）、（B）、（C）和（D）来导出平均电感。基本上，控制器50围绕现有的I_d和I_q电流对（E）搜索以找到相邻的四个电流（A）-（D），然后在块38A和38B中计算q轴和d轴的平均电感贡献，即Ld(avg)和Lq(avg)。

然后，这些值可用于减小上述方程的相关部分，如下所示：

。

因此，控制器50可求解所得二阶方程以为I_d、I_q和I_ss找到不同解，其中控制器50在实现控制逻辑50L时保守地选择两个解中的较小解以获得最佳效率。

图4示出了用于在弱磁（FW）区域中提供瞬态转矩控制的替代控制逻辑150L。如将理解的，图2的控制逻辑50L和控制逻辑150L不是互斥的，而是在MTPA操作（控制逻辑50L）或FW操作（控制逻辑150L）期间选择性地采用。在图4的FW控制实施例中，控制器50使用附加弱磁逻辑和图2所示的逻辑块40的修改版本，即作为如下所述的逻辑块140和240。

控制回路150L被配置为接收调制索引命令（MI^*），如图所示，该调制索引命令可以使用经滤波的调制索引信号（MI_filt）来调整。如本文所使用，调制指数是电机14的端电压命令除以命令电压（六步电压）的比率。块42将该值乘以当前电旋转速度除以DC总线电压，即Vdc/ω_e，并且馈送乘积通过比例积分（PI）块43以导出稳态增量电流（ΔIss）。

稳态增量电流（ΔIss）和转矩命令T^*（例如，来自控制器50或另一个控制单元）被馈送到控制块44中，该控制块输出单独/去耦的d轴和q轴增量电流，即ΔI_d和ΔI_q，然后在上面参照图1和图2描述的查找表22B和22A的下游如上所述地使用它们以将调制指数保持为命令值。因此在弱磁控制区域中使用双环控制，其中控制逻辑150L调节d轴和q轴电流。

逻辑块140（“去耦”）的输入与用作图2的查找表块40的输入的输入相同。然而，逻辑块140通过向功能块240输出值

和

以特定的方式将d轴和q轴增量电流Id和Iq去耦。代替遵循图2中的MTPA趋势线，弱磁区域中的操作必须遵循电压椭圆，如本领域技术人员所理解的。因此，假设

可忽略不计，以下简化方程对弱磁区域有效：

因此，控制方程可改写为二阶方程：

。

因此，值a、b可由逻辑块140导出，作为指示的比率输出以馈送到块240中，并且然后由逻辑块240（“Δ求解器”）使用以计算前馈值I^* _{d_ff}和^* _{q_ff}，这些前馈值随后用于确定最终d轴和q轴电流命令

和

。在求解I_d时，二阶方程将产生两个解，并且从而产生I_q和I_ss的两个解。为了最佳效率，控制器50可因此选择两个I_ss解中的较小解。

参照图5，其流程在图2中示意性地示出的控制策略也可以使用任选控制逻辑250L来任选地定制以用于与电机14的PM电机实施例一起使用。相对于图2的控制逻辑50L，相应的命令和估计/实际磁体温度值（Temp^*和Temp）被替换为图2的相应的命令和实际分流器位置值（f^* _shunt和f_shunt）。另外，图2和图4在结构和操作方面是相同的。

使用VFM示例，当分流角发生变化时，马达反EMF也将会发生变化，并且对应马达转矩将基于实际分流角进行调整。因此，所提出的控制方法调整电流命令，使得即使在实际分流角改变时也保持电机14产生的转矩。对于PM电机，马达温度的变化会导致马达反EMF的变化。在相同的电流命令条件下，对应马达转矩也将会发生变化。利用图4的所提出的控制方案，无论马达温度变化如何都保持图1的马达输出转矩T_m。以这种方式，本方法实时自适应于PM电机中的热变化。

图6-8示出了混合实施例，其中上述开环控制方案在某种程度上与闭环控制方案相结合以提供附加益处，其中图6的控制逻辑350L提供MTPA区域中的瞬态转矩控制，图7的控制逻辑450L提供弱磁区域中的瞬态转矩控制，以及图8的控制逻辑550L提供对PM电机实现的热适应。

例如，图6的控制逻辑350L类似于图2的控制逻辑50L，其中增加了逻辑块60（“转矩估计”）和65（“转矩命令计算”）。在简化的实施例中，逻辑块60和65都可被实现为查找表，其中逻辑块60输出估计转矩（T_est）并且逻辑块65输出命令转矩（T^*）。因此，控制如上文对图2的控制逻辑50L所述的那样进行，其中命令d轴和q轴电流I_d ^*fd和I_q ^*fd作为闭环反馈项反馈到逻辑块60中。这里，块40在描述中被简化，但包括前面描述的块38A和38B。闭环控制通过图6顶部所示的框60、65、43和44的操作在控制逻辑350L中实现，其中反馈项为Id^* _fd和Iq^* _fd。

同样地，图7的替代控制逻辑450L可以类似于图4所示的控制逻辑150L的操作的方式用于弱磁目的，伴随增加逻辑块60和65的变化，以及用作到块60的闭环反馈项的相应命令d轴和q轴电流I_d ^*fd和I_q ^*fd的使用的增加变化。为说明简单起见，在图7的块140中将查找表38A和38B及其各种电感输出组合在一起。然而，在图7的实际具体实施中，逻辑块140可以从图2和4的表38A和38B接收各种电感和磁通值，以代替命令和实际分流角f_shunt ^*和f_shunt。

同样，图8的控制逻辑550L类似于图5的控制逻辑250L，并且可以相同的方式用于电机14的PM实施例的热适应。此外，增量电流求解器40是图5-8中的块38A、38B和40的组合，保留d轴和q轴命令I_d ^*和I_q ^*，以及来自块37的系数K，并且将命令温度（Temp^*）和估计/实际温度（Temp）添加到此。

如本领域普通技术人员根据前述公开内容将理解的，本方法考虑在分流角转变期间基于开环的针对图1的旋转电机14的命令转矩的快速估计，该方法基于电流和分流角命令。本方法基于命令的和实际分流角来调整到电机14的d轴和q轴电流命令，其中来自电机14的估计转矩同样通过分流角和d轴/q轴电流命令来提供。

上述各种解决方案寻求在存在转矩误差的情况下在电机14的VFM实施例中发生的分流角转变期间保持平滑的转矩瞬态响应和转矩精度，其中本公开的各方面可容易地扩展到对于PM电机变型的热适应。鉴于前述公开内容，本领域普通技术人员将容易理解这些和其他益处。

详细描述和附图或图示支持性和描述本教导，但本教导内容的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行本教导内容的一些最佳模式和其他实施例，但存在用于实践在所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。此外，本公开明确地包括上面和下面呈现的元件和特征的组合和子组合。

Claims (10)

1.一种用于控制可变磁通电机（VFM）的瞬态操作的方法，所述方法包括：

在所述VFM的分流角转变期间，在所述VFM在预定控制区域中的操作期间接收所述VFM的命令分流角和所述VFM的测量分流角；

经由控制器计算在所述分流角转变的持续时间内维持所述VFM的输出转矩水平所需的d轴增量电流（ΔI_d）项和q轴增量电流（ΔI_q）项；以及

应用所需的ΔI_d项和所需的ΔI_d项作为前馈项以分别根据相应查找表调整d轴电流（I_d）项和q轴电流（I_q）项，并且由此在所述分流角转变期间维持所述VFM的所述输出转矩水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定控制区域是每安培最大转矩（MTPA）操作区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定控制区域是弱磁（FW）控制区域。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

在所述FW控制区域期间接收所述VFM的命令转矩；

根据直流总线电压和所述VFM的旋转速度确定稳态增量电流（ΔI_ss）项；以及

在应用所述前馈项之前，使用所述命令转矩和所述ΔI_ss项来调整所述I_d项和所述I_q项。

5.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述ΔI_ss项包括将调制指数命令乘以所述VFM的当前电旋转速度以导出调制值，以及然后将所述调制值馈送通过比例-积分块以导出所述ΔI_ss项。

6.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述dΔI_d项和所述ΔI_q项包括通过一个或多个平均电感查找表处理所述命令分流角、所述测量分流角、命令d轴电流和命令q轴电流，由此分别确定与所述测量分流角和所述命令分流角相关联的平均d轴电感和平均q轴电感。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将直流总线电压、转矩转换命令和所述VFM的旋转速度提供到所述单独的d轴和q轴电流命令查找表中；以及

使用所述直流总线电压、所述转矩转换命令和所述旋转速度经由所述单独的d轴和q轴电流命令查找表来确定所述I_d项和所述I_q项。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括具有转矩命令计算块和转矩估计块的转矩控制回路，其中所述转矩命令计算块被配置为根据所述命令分流角、命令d轴电流和命令q轴电流确定命令转矩，其中所述转矩估计块被配置为根据所述测量分流角、所述命令d轴电流和所述命令q轴电流确定估计转矩，并且其中所述命令d轴电流和所述命令q轴电流分别是经调整的I_d项和经调整的I_q项。

9.一种电动动力系，包括：

可变磁通电机（VFM）；

牵引功率逆变器模块（TPIM），所述牵引功率逆变器模块（TPIM）连接到所述VFM；以及

控制器，所述控制器与所述VFM和所述TPIM通信，并且被配置为：

在所述VFM的分流角转变期间，当在预定控制区域中操作所述VFM时，接收所述VFM的命令分流角和测量分流角；

计算在所述分流角转变的持续时间内维持所述VFM的输出转矩水平所需的d轴增量电流（ΔI_d）项和q轴增量电流（ΔI_q）项；以及

应用所需的ΔI_d项和所需的ΔI_d项作为前馈项以分别根据相应查找表调整d轴电流（I_d）项和q轴电流（I_q）项，并且由此在所述分流角转变期间维持所述VFM的所述输出转矩水平。

10.根据权利要求9所述的电动动力系，其中所述预定控制区域是每安培最大转矩（MTPA）操作区域。

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