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CN103402801B - 在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法和系统 - Google Patents

在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法和系统 Download PDF

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CN103402801B CN201280010840.5A CN201280010840A CN103402801B CN 103402801 B CN103402801 B CN 103402801B CN 201280010840 A CN201280010840 A CN 201280010840A CN 103402801 B CN103402801 B CN 103402801B
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Abstract

数据处理器确定复合扭矩命令在一时间间隔内是否大于预设扭矩阈值(S302)。所述复合扭矩命令能够转化为直轴电流命令和正交轴电流命令(S302)。数据处理器确定电动机的转子转速在所述时间间隔内是否小于预设速度阈值(S304)。如果所述复合扭矩命令大于所述预设扭矩阈值并且如果所述转子转速小于所述预设速度阈值，则数据处理器、电流调整模块或电流成形模块调整所述直轴电流命令和正交轴电流命令以获得经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令(S308)，其中，经修订的电流命令根据转子的被检测到的旋转位置改变，以获得大致恒定的轴扭矩输出。

Description

在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法和系统
本发明根据35U.S.C.119(e)要求基于2011年2月28日提交的、名称为“在失速或接近失速条件下控制电动机的方法和系统(METHOD ANDSYSTEM FOR CONTROLLING AN ELECTRIC MOTOR AT OR NEAR STALL CONDITIONS)”的第61/447,323号美国临时申请的优先权。
技术领域
本发明涉及在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法和系统。
背景技术
电动机的特征在于带有永磁体的转子和定子，例如，内置永磁体(IPM)电动机、IPM同步电动机、表面安装式永磁体电动机、或其他永磁体电动机结构。电动机可用于推进车辆，而车辆推进通常需要宽的电动机转速范围控制。
失速工况指的是扭矩载荷被施加到电动机，导致电动机的轴速变为或接近零转/分钟。例如，如果电动机从静止位置推进车辆，如果车辆是重载的，如果车辆正拉着拖着或工具，或者如果车辆正在爬斜坡，则可能会经历失速工况。在接近失速工况的低运转速度下，电动机可能经历瞬间的扭矩波动、扭矩输出振动或变化的扭矩输出。车辆的乘客或操作者可注意到或抱怨因瞬间的或变化的扭矩输出导致的车辆的振动、抖动或不平稳的运动。因此，需要一种在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法和系统，以在接近失速工况的较低的运转速度的情况下提供均匀的或稳定的扭矩输出。
发明内容
根据一个实施例，提出了一种用于在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法和系统。传感器检测所述电动机的转子的旋转位置。数据处理器确定复合扭矩命令在一时间间隔内是否大于预设扭矩阈值。所述复合扭矩命令能够转化为直轴电流命令和正交轴电流命令。所述数据处理器确定转子的电动机转速在所述时间间隔内是否小于预设速度阈值。如果所述复合扭矩命令大于所述预设扭矩阈值并且如果所述转子转速小于所述预设速度阈值，则数据处理器、电流调整模块、或电流成形模块调整所述直轴电流命令和正交轴电流命令以获得经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，其中，经修订的电流命令(或扭矩失速系数)根据转子的被检测到的旋转位置改变，以获得大致恒定的轴扭矩输出。
附图说明
图1是用于在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的系统的一个实施例的方块图。
图2是图1的电子数据处理系统的方块图。
图3是用于在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法的第一实例的流程图。
图4是用于在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法的第二实例的流程图。
图5是用于在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法的第三实例的流程图。
图6是电动机(例如，内置永磁体电动机)的示例性实施例的横截面图。
具体实施方式
根据一个实施例，图1公开了用于控制电动机117(例如，内置永磁体(IPM)电动机)或其他交流电机的系统。本文中描述的方法和系统可以被同等地应用于具有宽的运转速度的内置永磁体电动机、感应电机或表面安装式永磁体(PM)电动机。在一个实施例中，除电动机117外，该系统可以被称为逆变器或电动机控制器。该系统或逆变器可良好地适用于电动机轴的很宽地变化的运转速度，因此，可以在一个或多个不同速度范围内为逆变器选出平衡的或最佳的脉冲宽度调制频率。
该系统包括电子模块、软件模块，或以上二者。在一个实施例中，电动机控制器包括电子数据处理系统120，以支持一个或多个软件模块的软件指令的存储、处理或执行。电子数据处理系统120如图1中的虚线所示，并且在图2中被更详细地示出。
电子数据处理系统120被连接到逆变器电路188。逆变器电路188包括半导体驱动电路，该半导体驱动电路驱动或控制切换半导体(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他功率晶体管)以输出用于电动机117的控制信号。依次地，逆变器电路188被连接到电动机117。电动机117与传感器115(例如，位置传感器、分解器或编码器位置传感器)关联，传感器115与电动机轴126或转子相关联。例如，传感器115和电动机117被连接到数据处理系统120，以提供反馈数据(例如，诸如ia，ib，ic的电流反馈数据)、原始位置信号、以及其他可能的反馈数据或信号。例如，其他可能的反馈数据包括但不限于：绕组温度读数、逆变器电路188的半导体温度读数、三相电压数据、或电动机117的其他热学信息或性能信息。
在一个实施例中，转矩指令生成模块105被连接到d-q轴电流生成管理器109(例如，d-q轴电流生成查找表)。d-q轴电流指的是可应用于矢量控制式交流电机(例如电动机117)中的直轴电流和正交轴电流。d-q轴电流生成管理器109的输出和电流调整模块107(例如，d-q轴电流调整模块)的输出被提供给加法器119。依次地，加法器119的一个或多个输出(例如，直轴电流数据(id *)和正交轴电流数据(iq *)被提供或连接至电流调节控制器111。
电流调节控制器111能够与脉冲宽度调制(PWM)生成模块112(例如，空间矢量PWM生成模块)通信。电流调节控制器111接收相应的d-q轴电流指令(例如id *和iq *)和实际d-q轴电流(例如id和iq)以及与d-q轴电压指令(例如vd *和vq *指令)相对应的输出，用于输入至PWM生成模块112。
在一个实施例中，PWM生成模块112例如将直轴电压和正交轴电压数据从两相数据表示转化为三相数据表示(例如，三相电压表示，诸如va *，vb *和vc *)以用于电动机117的控制。PWM生成模块112的输出被连接到逆变器188。
逆变器电路188包括功率电子元件，如用于生成、修改和控制施加到电动机117的经脉冲宽度调制的信号或其他交流信号(例如，脉冲、方波、正弦波、或其他波形)的切换半导体。PWM生成模块112向逆变器电路188内的激励级(driver stage)提供输入。逆变器电路188的输出级提供经脉冲宽度调制的信号或其它交流信号，以用于电动机的控制。在一个实施例中，逆变器188由直流(DC)电压总线供电。
电动机117与估算电动机轴126的角位置、电动机轴126的速度或转速以及电动机轴126的旋转方向中的至少一个的传感器115(例如，分解器、编码器、速度传感器、或其他位置传感器或多个传感器)关联。传感器115可以被安装到电动机轴126上或与之成一体。传感器115的输出能够与主处理模块114(例如，位置和速度处理模块)通信。在一个实施例中，传感器115被连接到模数转换器(未示出)，所述模数转换器将模拟位置数据或速度数据分别转换为数字位置或速度数据。在其他实施例中，传感器115(例如，数字位置编码器)可提供电动机轴126或转子的位置数据或速度数据的数字数据输出。
主处理模块114的第一输出(例如，电动机117的位置数据和速度数据)被传输至相位变换器113(例如，三相变两相电流帕克变换(Parktransformation)模块)，其中相位变换器113将各个测得的电流的三相数字表示转换为测得的电流的两相数字表示。主处理模块114的第二输出(例如，速度数据)被传输至计算模块110(例如，经调整的电压/速度比模块)。
感测电路124的输入被连接到电动机117的终端，以至少检测被测量的三相电流和直流电流(DC)总线(例如，向逆变器电路188提供DC功率的高压DC总线)的电压电平。感测电路124的输出被连接到模数转换器122，以将感测电路124的输出数字化。依次地，模数转换器122的数字输出被连接到辅助处理模块116(例如，直流(DC)总线和三相电流处理模块)。例如，感测电路124与电动机117相关联以用于测量三相电流(例如，施加到电动机117的绕组的电流，感应到所绕组中的反电动势，或以上二者)。
主处理模块114和辅助处理模块116的一些输出被提供给相位变换器113。例如，相位变换器113可应用帕克变换或其他转换方程(例如，对于本领域普通技术人员而言已知的适当的特定的转换方程)以基于来自辅助处理模块116的数字三相电流数据和来自传感器115的位置数据将测得的三相电流表示转换为二相电流表示。相位变换器113的输出被连接到电流调节控制器111。
主处理模块114和辅助处理模块116的其他输出可以被连接到计算模块110(例如，经调整的电压/速度比计算模块)的输入。例如，主处理模块114可提供速度数据(例如，电动机轴126的每分钟转数)，而辅助处理模块116可提供(例如，在车辆的直流(DC)总线上)测得的直流电压电平。向逆变器电路188供电的DC总线上的直流电压电平可因为各种因素(包括但不限于：环境温度、电池状况、电池充电状态、电池电阻或电抗、燃料电池状态(如果可使用的话)、电动机负载状况、各自的电动机转矩和相应的运转速度、以及车辆电负载(例如，电驱动的空调压缩机))而波动或变化。计算模块110被作为媒介连接在辅助处理模块116和d-q轴电流发生管理器109之间。计算模块110的输出可调整或影响由d-q电流生成管理器109生成的电流指令，以补偿直流总线电压中的波动或变化及其他情况。
转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106、和终端电压反馈模块108被连接到d-q轴电流调整模块107或能够与d-q轴电流调整模块107通信。依次地，d-q轴电流调整模块107可与d-q轴电流生成管理器或加法器119通信。
转子磁体温度模块104估算或确定一个或多个转子永磁体的温度。在一个实施例中，转子磁体温度估算模块104可通过内部控制变量计算、位于定子上或者与定子热连通或者固定到电动机117的外壳上的一个或多个传感器估算转子磁体的温度。
在一个替换实施例中，转子磁体温度估算模块104可被位于定子上、与定子热连通的或者固定到电动机117的外壳上的一个或多个传感器替代或可依据这些传感器估算转子磁体的温度。
在另一替换实施例中，转子磁体温度估算模块104可被安装在转子或磁体上的温度检测器(例如，热敏电阻或被连接到无线变送器的红外线感热器)替代，其中，所述检测器提供指示一个或多个磁体的温度的信号(例如，无线信号)。
在一个实施例中，所述方法或系统可以下述方式进行操作。转矩命令生成模块105通过车辆数据总线118接收输入控制数据信息，例如速度控制数据信息、电压控制数据信息、或转矩控制数据信息。转矩命令生成模块105将接收到的输入控制信息转化为转矩控制命令数据316。
d-q轴电流生成管理器109选择或确定与各个转矩控制命令数据和各个检测到的电动机轴126速度数据有关的直轴电流命令数据和正交轴电流命令数据。例如，d-q轴电流生成管理器109通过访问下述一个或多个项来选择或确定直轴电流命令、正交轴电流命令：(1)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的查找表、数据库或其他数据结构，(2)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的二次方程组或线性方程组，或(3)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的一组规则(例如“如果-则”(if-then)规则)。
电动机117上的传感器115有利于从电动机轴126提供检测到的速度数据，其中，主处理模块114可将由传感器115提供的位置数据转化为速度数据。
电流调整模块107(例如，d-q轴电流调整模块)提供电流调整数据以基于来自转子磁体温度估算模块104和电流成形模块106的输入数据调整直轴电流命令数据和正交轴电流命令数据。
电流成形模块106可基于以下一个或多个因素确定正交轴(q轴)电流命令和直轴(d轴)电流命令的校正或初步调整：例如，电动机117上的转矩载荷和电动机117的速度。转子磁体温度估算模块104可基于例如转子磁体的转子温度的估算变化生成对于q轴电流命令和d轴电流命令的二次调整值。终端电压反馈模块108可基于控制器电压命令与电压极限的关系(versus)提供对于d轴和q轴电流的第三次调整。电流调整模块107可提供考虑了一个或多个下述调整的合并的电流调整：初步调整、二次调整和第三次调整。
传感器115(例如，轴或转子转速检测器)可包括下述一项或多项：直流电动机、光学编码器、磁场传感器(例如，霍尔效应传感器)、磁阻传感器、和分解器(例如，无刷分解器)。在一种构造中，传感器115包括位置传感器，其中，位置数据和相关的时间数据被处理，以确定电动机轴126的速度或转速。在另一种构造中，传感器115包括速度传感器，或速度传感器与积分器的组合，以确定电动机轴的位置。
在又一种构造中，传感器115包括辅助的、紧凑的直流发电动机，该直流发电动机被机械地连接到电动机117的电动机轴126，以确定电动机轴126的速度，其中，该直流发电动机产生与电动机轴126的转速成比例的输出电压。在再一种构造中，传感器115包括带有光源的光学编码器，其中，所述该光学编码器向被连接到轴126的旋转物体发送信号并在光学检测器处接受反射的或衍射的信号，其中被接收到的信号脉冲(例如，方波)的频率可与电动机轴126的速度成比例。在额外的构造中，传感器115包括带有第一绕组和第二绕组的分解器，其中，第一绕组接入交流电，在第二绕组中感生的电压随着转子的旋转频率而变化。
在图2中，电子数据处理系统120包括电子数据处理器264、数据总线262、数据存储装置260、和一个或多个数据端口(268，270，272，274和276)。数据处理器264、数据存储装置260、和所述一个或多个数据端口被连接到数据总线262，以支持数据处理器264、数据存储装置260、和所述一个或多个数据端口之间的数据通信。
在一个实施例中，数据处理器264可包括一个或多个下述电子器件：电子数据处理器、微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑电路、运算逻辑单元、专用集成电路、数字信号处理器(DSP)、比例积分微分(PID)控制器、或其他数据处理装置。例如，上述电子器件可以经由一个或多个数据总线、并行数据总线、串行数据总线、或并行和串行数据总线的任意组合互连。
数据存储装置260可包括任何用于存储数据的磁的、电子的或光学的装置。例如，数据存储装置260可包括电子数据存储装置、电子存储器、非易失性电子随机存取存储器、一个或多个电子数据寄存器、数据锁存器、磁盘驱动器、硬盘驱动器、光学磁盘驱动器等。
如图2所示，数据端口包括第一数据端口268、第二数据端口270、第三数据端口272、第四数据端口274和第五数据端口276，当然，也可采用其他任意适当数目的数据端口。每个数据端口可包括例如收发器或缓冲存储器。在一个实施例中，每个数据端口可包括任意串行或并并输入/输出端口。
在如图2描绘的一个实施例中，第一数据端口268被连接到车俩数据总线118。依次地，车俩数据总线118被连接到控制器266。在一种构造中，第二数据端口270可以被连接到逆变器电路188；第三数据端口272可以被连接到传感器115；第四数据端口274可以被连接到模数转换器122；以及第五数据端口276可以被连接到终端电压反馈模块108。模数转换器122被连接到感测电路124。
在数据处理系统120的一个实施例中，转矩命令生成模块105与电子数据处理系统120的第一数据端口268关联或由该第一数据端口268支持。第一数据端口268可以被连接到车俩数据总线118，例如控制器区域网络(CAN)数据总线。车辆数据总线118可经由第一数据端口268向转矩命令生成模块105提供数据总线信息以及转矩命令。车辆的操作者可通过用户接口(例如油门、踏板、控制器266或其他控制装置)生成转矩命令。
在一些实施例中，传感器115和主处理模块114可与数据处理系统120的第三数据端口272关联或由第三数据端口272支持。
图3公开了用于在失速工况处或接近失速工况时控制电动机(例如，117)的方法的第一说明性实例。失速工况指的是扭矩载荷被施加到电动机(例如，117)上，导致电动机(例如，117)的轴速度变为或接近零转/分钟。在不采用图3所述的控制方法的情况下，当电动机(例如，117)以接近失速工况的非常低的速度(例如，低于约100转/分钟)运转时，电动机(例如，117)可能提供不理想的振动扭矩输出或不理想的带有波动的扭矩输出。例如，振荡扭矩输出可以被描述为输出扭矩的振幅在一时间周期内的正弦曲线变化。
图3的方法开始与步骤S300，以减少或消除在失速工况处或接近失速工况时的振荡扭矩输出或不理想的带有波动的扭矩输出。
在步骤S300中，传感器115检测电动机(例如，117)的转子的旋转位置。例如，传感器115向主处理模块114提供关于转子的旋转位置的原始位置信号，其中，主处理模块114基于检测到的旋转位置与时间的关系提炼检测到的旋转位置或确定转子的电动机(例如，117)转度。旋转位置可以被表述为转子相对于定子的角度，其中，该角度的范围是从0到360度，或者其中，所述角度被表示成弧度。主处理模块114可包括时钟或时钟信号，用于确定检测到的旋转位置之间的时间，以用于确定转子的电动机(例如，117)转度。
在步骤S302中，数据处理器264、电流调整模块107或电流调节控制器111确定一复合扭矩命令在一时间间隔内是否大于预设扭矩阈值，其中，所述复合扭矩可被转化成直轴电流命令和正交轴电流命令。在一个实施例中，复合扭矩命令可以被表述为电动机117的基准扭矩的百分比、分数或一部分。数据处理器364将该复合扭矩转化为直轴电流命令和正交轴电流命令。电动机的基准扭矩可以依照以下一项或多项加以定义：(1)基准扭矩等于或接近电动机的最大扭矩；(2)基准扭矩等于或接近电动机的失速扭矩减去公差余量，其中，失速扭矩是当电动机已经为失速(例如，轴转速或转子转速为零转/分钟)时的电动机扭矩；或者，(3)基准扭矩等于或接近电动机的在某个相应的基准转子转速处或落入转子转速的速度范围之内的目标扭矩(例如，在规定的工作条件、轮胎参数或地面参数状态下不能产生车轮空转的更低的速度或更低的速度范围)；(4)基于检测到的电动机的转子转子，基准扭矩等于或小于电动机的工作扭矩与速度输出关系图(例如，电动机特征扭矩曲线)上的扭矩；(5)基准扭矩符合与电动机117的低速范围相关联的最大扭矩/安培(MTPA)电流轨迹；(6)基准扭矩与电动机的特定的相应应用的或基于电动机规格或设计的最大扭矩或峰值扭矩相一致。
在一个实施例中，复合扭矩命令可用于确定绝对扭矩命令，绝对扭矩命令是基于百分比形式的复合扭矩乘以电动机的基准扭矩，其中，绝对扭矩是以牛-米、尺-磅、英寸盎司力或其他类似单位表达的数字。
可依据可交替地或累加地应用的多种程序执行步骤S302。在第一种程序下，复合扭矩命令包括用基准扭矩的百分比表示的扭矩命令(例如，失速扭矩命令)，其中，预设阈值是基于电动机规格、经验测试、现场测试或在电动机测试和特征化过程中确定的电动机的扭矩与速度特征曲线图确定的。
在第二种程序下，预设扭矩阈值通常约为基准扭矩的百分之八十(80％)至百分之八十五(85％)。本文中所使用的“约”指的是基准扭矩的加或减(±)十个百分比，或者它可以被修改为其他数字。预设阈值的实际百分比可取决于例如电动机的应用(例如，车辆尺寸、车辆重量等)或电动机的电动机结构。对于内置永磁体电动机(例如，117)而言，低速时的机器特征产生最大扭矩/安培(MTPA)电流轨迹。随着复合或总扭矩命令增加，沿着MTPA电流轨迹，正交轴电流命令(1q*)随着直轴电流命令(1d*)变化。当复合或总扭矩命令超过预设阈值(例如，80％)，则正交轴电流命令和直轴电流命令之间的比率是大致固定的(例如，用于最佳性能)。
在第三种程序下，预设扭矩阈值约为电动机(例如，117)的峰值扭矩的80％至85％。
在第四种程序下，预设扭矩阈值约为最大失速扭矩的80％，或为当电动机轴具有等于零或接近零的转速时产生的扭矩的约80％。
在步骤S304中，传感器115、主处理模块114或数据处理器264确定电动机的转子转速在一时间间隔(例如，一个或多个脉宽调制周期)内是否小于预设速度阈值。在第一实例中，预设速度阈值为约50转/分钟至约1(0转/分钟(rpm)。在第二实例中，预设速度阈值小于或等于约100转/分钟。本文中所使用的“约”指的是在每分钟转数、扭矩或其他可修改的数字上加或减(±)5％。
在步骤S306中，如果复合扭矩命令大于预设扭矩阈值并且如果转子转速小于预设速度阈值，则数据处理器264、电流调整模块107、或电流调节控制器111调整直轴电流命令和正交轴电流命令以获得用于所述时间间隔的经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，其中，经修订的电流命令根据转子的被检测到的旋转位置改变，以获得大致恒定的轴扭矩输出。
根据用于执行步骤S306的一种技术，数据处理器264或d-q轴电流生成管理器109从数据存储装置260中的一个或多个多维表或其他多维数据结构中检索d-q轴命令。可以从三维表(例如，第一三维表)、数据库、文件、或(数据存储装置260中的)包括扭矩命令数据316、速度数据(例如，经调整的电压/电流比数据318)和直轴电流命令的数据记录中检索直轴电流命令。例如，第一三维表可存储相关的扭矩命令数据、速度数据和直轴电流命令的各种组合或排列。在一个实施例中，可以从三维表(例如，第二三维表)、数据库、文件、或(数据存储装置260中的)包括扭矩命令数据316、速度数据(例如，经调整的电压/电流比数据318)和正交轴电流命令的数据记录中检索正交轴电流命令。例如，第二三维表可存储相关的扭矩命令数据、速度数据和正交轴电流命令的各种组合或排列。在一个说明性的实例中，经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令可通过将直轴电流命令和正交轴电流命令与例如一个或多个失速扭矩系数(如，动态地或实时地)相乘而获得。可根据可以替换地或累加地应用的各种技术而执行步骤S306。在第一种技术中，数据处理器264、电流调整模块107、d-q轴电流生成管理器109、或电流调节控制器111确定或施加(或适于确定或适于施加)经修订的电流命令到电动机(例如，117)，以最小化或减小扭矩振荡，其中，电动机(例如，117)包括永磁体电动机(例如，117)，该永磁体电动机具有位于定子中的定子槽以及与软子相关联的永磁体。这里，“适于确定”或“适于施加”指的是数据处理器264被配置为执行存储在数据存储装置260上的软件指令，其中，所述软件指令例如可以被配置为电流调整模块107、d-q轴电流生成管理器109、或电流调节控制器111。
在第二种技术下，数据处理器264、d-q轴电流生成管理器109、电流调整模块107、或电流调节控制器111确定或选择(或适于确定或适于选择)经修订的电流命令，从而，在横跨每个槽跨度(或定子槽跨度)的每个转子位置处可以获得恒定的轴扭矩输出，其中，在缺少经修订的电流命令时，最大峰值失速扭矩将大致出现在电动机的定子的每个槽跨度的径向中点处，并且最小峰值失速扭矩将大致出现在电动机的定子的每个槽开口的径向中点处。槽跨度指的是定子槽开口和邻接定子槽开口的每个侧面的中间定子部分(例如，是位于其间的定子部分的近似二分之一)。在一个实施例中，槽跨度指的是定子槽开口和邻接定子槽开口的每个侧面的中间定子部分的约二分之一，其中，径向角(例如，顶点从轴向外延伸)将每个中间定子部分划分为两个相同的半部或径向段。这里，“适于确定”或“适于施加”指的是数据处理器264被配置为执行存储在数据存储装置上的软件指令，其中，所述软件指令例如可以被配置为电流调整模块107、或电流调节控制器111。
在第三种技术下，数据处理器264、d-q轴电流生成管理器109、电流调整模块107、或电流调节控制器111确定或选择(或适于确定或适于选择)经修订的电流命令，从而，在整个转子外围可以获得恒定的轴扭矩输出，并且在每个槽跨度范围内输出扭矩是大致均匀的。这里，“适于确定”或“适于选择”指的是数据处理器264被配置为执行存储在数据存储装置上的软件指令，其中，所述软件指令例如可以被配置为电流调整模块107、或电流调节控制器111。
在第四种技术下，数据处理器264、电流调整模块107、或电流调节控制器111通过将失速扭矩系数与直轴电流命令和正交轴电流命令相乘而确定(或适于确定)经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令。失速扭矩系数和相应的转子位置可以被存储在多维数据结构或多维查找表(例如，二维查找表)、数据库、文件、查找表或被存储在数据存储装置260中的其他数据格式中。具有成对的扭矩系数和相应的转子位置的查找表可以被称为第三查找表。这里，“适于确定”指的是数据处理器264被配置为执行存储在数据存储装置上的软件指令，其中，所述软件指令例如可以被配置为电流调整模块107、d-q轴电流生成管理器109、或电流调节控制器111。
除了图4的方法还包括步骤S308之外，图4的方法与图3的方法类似。图3和图4中，类似的附图标记指代相似的步骤或过程。
在步骤S308中，数据处理器264、电流调整模块107、d-q轴电流生成管理器109、或电流调节控制器111通过将失速扭矩系数与直轴电流命令和正交轴电流命令相乘而确定经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，其中，失速扭矩系数由相应的检测到的转子位置限定。
如前所述，直轴电流命令和正交轴电流命令首先被确定，随后确定经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令。在一个实施例中，可以从三维数据结构或三维表(例如，第一三维表)、数据库、文件、或(数据存储装置260中的)包括扭矩命令数据316、速度数据(例如，经调整的电压/电流比数据318)和直轴电流命令的数据记录中检索直轴电流命令。例如，第一三维表可存储相关的扭矩命令数据、速度数据和直轴电流命令的各种组合或排列。在一个实施例中，可以从三维数据结构或三维表(例如，第二三维表)、数据库、文件、或(数据存储装置260中的)包括扭矩命令数据316、速度数据(例如，经调整的电压/电流比数据318)和正交轴电流命令的数据记录中检索正交轴电流命令。例如，第二三维表可存储相关的扭矩命令数据、速度数据和正交轴电流命令的各种组合或排列。
在一个说明性的实例中，经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令例如可通过将直轴电流命令和正交轴电流命令与例如一个或多个失速扭矩系数(如动态地或实时地)相乘而被获得。例如，失速扭矩系数可基于电动机的转子的相应的被检测到的转子位置而变化。
对于内置永磁体电动机(例如，117)而言，在低速时的机器特征化产生最大扭矩每安培(MTPA)电流轨迹。随着复合或总扭矩命令增加，沿着MTPA电流轨迹，正交轴电流命令(1q*)相对于直轴电流命令(1d*)变化。当复合或总扭矩命令超出预定阈值(例如，80％)，则正交轴电流命令与直轴电流命令之间的比是基本固定的。如果电流成形模块106或数据处理器264将原始的正交轴电流命令和原始的直轴电流命令与电流成形系数或失速扭矩系数相乘，它仍然能够沿着或符合最佳效率MTPA电流轨迹。
除了图5的方法还包括步骤S301和S310之外，图5的方法与图3的方法类似。图3和图5中，类似的附图标记指代相似的步骤或过程。
在步骤S300中，传感器115检测电动机(例如，117)的转子的旋转位置。例如，传感器115向主处理模块114提供关于转速的旋转位置的原始位置信号，其中，主处理模块114基于检测到的旋转位置与时间的关系提炼检测到旋转位置或确定电动机的转子转速。主处理模块114可包括时钟或时钟信号，用于确定检测到的旋转位置之间的时间，以用于确定转子的电动机(例如，117)转速的目的。
在步骤S301中，数据处理器264或d-q轴电流生成管理器109依照或基于经由车辆数据总线来自数据信息输入的复合扭矩命令生成或确定直轴电流命令和相应的正交轴电流命令。例如，数据处理器264或d-q轴电流生成管理器109将复合扭矩命令转化为直轴电流命令和相应的正交轴电流命令。在一个实施例中，可通过经由车辆数据总线访问基于数据信息输入的第一三维数据结构确定直轴电流命令，所述第一三维数据结构例如是第一查找表、数据库、文件、或存储在数据存储装置260中的其他数据结构。类似地，可通过经由车辆数据总线访问基于数据信息输入的第二三维数据结构确定正交轴电流命令，所述第二三维数据结构例如是第二查找表、数据库、文件、或存储在数据存储装置260中的其他数据结构。第一三维数据结构、第二三维数据结构或二者都可以例如从电动机特征化过程、根据经验研究、电动机(例如，117)测试、或电动机(例如，117)规格获得。
在步骤S302中，数据处理器264、电流调整模块107或电流调节控制器111确定复合扭矩命令在一时间间隔内是否大于预设扭矩阈值。复合扭矩命令可以被表述为例如基准扭矩的百分比、分数或一部分。在一个实施例中，复合扭矩命令包括被表示为百分比的失速扭矩命令。步骤S302的其他细节已经在前文中结合图3做出了描述并可同样地适用于图5。
在步骤S304中，传感器115、主处理模块114或数据处理器264确定转子的转子转速在所述时间间隔内是否小于预设速度阈值。在第一实例中，预设速度阈值为约50转/分钟至约100转/分钟(rpm)。在第二实例中，预设速度阈值小于或等于约100转/分钟。步骤S304的其他细节已经在前文中结合图3做出了描述并可同样地适用于图5。
在步骤S306中，如果复合扭矩命令大于预设扭矩阈值并且如果转子转速小于预没速度阈值，则数据处理器264、电流调整模块107、或电流调节控制器111调整直轴电流命令和正交轴电流命令以获得用于所述时间间隔的经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，其中，经修订的电流命令根据转子的被检测到的旋转位置改变以获得大致恒定的轴扭矩输出。步骤S306的其他细节已经在前文中结合图3做出了描述并可同样地适用于图5。
在步骤S310中，数据处理器264、电流调整模块107或电流调节控制器111通过访问存储在数据存储装置中的第二查找表确定经修订的正交轴电流命令和经修订的直轴电流命令。
在一个实施例中，为了执行步骤S310，数据处理器264、电流调整模块107或电流调节控制器111访问第三多维数据结构(例如，第三查找表)，从而基于所存储的、变化的失速扭矩系数与相应的被检测到的转子位置之间的关系确定失速扭矩系数。失速扭矩系数为确定经修订的正交轴电流命令和经修订的直轴电流命令提供了基础。例如，数据处理器264、电流调整模块107或电流调节控制器111通过将失速扭矩系数与存储在数据存储装置中的第三查找表中的正交轴电流命令和直轴电流命令相乘而确定经修订的正交轴电流命令和经修订的直轴电流命令。
图6示出了可用于本文中描述的方法和系统的电动机117的说明性横截面。在图6的实例中，电动机600被描绘为内置永磁体电机，当然其他电动机或电机构造也是可以被使用的并且也落入本发明的范围之内。电动机600例如可用于替代图1和图2中的电动机117。
电动机600包括包围或至少部分地围绕转子610的径向外围的定子612。转子610可相对于定子612旋转。
在图6的电动机600中，定子612包括位于定子铁芯612中的径向地(例如，均匀地)间隔开的定子槽开口602。定子槽开口602被中间定子部分604隔开或是定子铁芯612中的孤岛。在一个实施例中，每个中间定子部分604可具有弯曲的内表面605，这些内表面605总体上形成被所述槽开口602以大致均匀的径向间距中断的大致圆柱形的表面。
如从电动机轴619的轴线615开始延伸的虚线617的最佳描绘，定子槽跨度(例如，614)可包括槽开口602和位于定子槽开口602的每一侧上的中间定子部分604的约二分之一。例如，定子槽跨度可被定义为在与中间定子部分604的中点相交叉的径向角614内延伸，其中，径向角614的顶点可以与电动机600的电动机轴619的轴615共同延伸。定子绕组616位于一个或多个定子槽开口602中。
在电动机117中，转子具有用于接收永磁体608(例如，通常为矩形磁体或具有其他几何构造的磁体)的转子槽或转子开口，其中，永磁体608被埋入或嵌入转子610中。转子610中的磁体的极性与定子绕组616的极性对准，以形成所需的极对的构造和数目。
本文公开的系统和方法可良好地适于在失速工况处或接近失速工况时控制电动机，以在接近失速工况的低转速下提供均匀的或稳定的扭矩输出。本文公开的系统和方法有利于消除或减少在处于或接近失速工况的电动机低转速时的瞬间扭矩波动、扭矩输出振动或变化的扭矩输出。因此，该系统和方法支持改进的电动车辆的性能，从而车辆的乘客或操作者可避免因可能发生的瞬时的或变化的扭矩输出造成的车辆的振动、抖动或不平稳的运动。该方法应用于内置永磁体电机、表面安装式PM电机、以及具有永磁体的其他电机或电动机。
已经描述了优选的实施例，在不脱离由所附权利要求界定的本发明的范围的前提下显然可以做出各种修改。

Claims (20)

1.一种用于在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的方法，该方法包括下述步骤：
检测所述电动机的转子的旋转位置；
确定扭矩命令在一时间间隔内是否大于预设扭矩阈值，所述扭矩命令能够转化为直轴电流命令和正交轴电流命令；
确定电动机的转子转速在所述时间间隔内是否小于预设速度阈值；以及
如果所述扭矩命令大于所述预设扭矩阈值并且如果所述转子转速小于所述预设速度阈值，则调整所述直轴电流命令和正交轴电流命令以获得经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，其中，经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令根据转子的被检测到的旋转位置改变，以获得大致恒定的轴扭矩输出。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：
基于所述扭矩命令从一个或多个多维数据结构或查找表生成直轴电流命令和正交轴电流命令。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：
向所述电动机应用经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，以最小化或减少扭矩振荡，其中，所述电动机包括永磁体电动机，该永磁体电动机带有位于定子中的定子槽和与所述转子相关联的永磁体。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令被选择，使得在横跨每个定子槽的槽跨度的每个转子位置处都能够获得恒定的轴扭矩输出，其中，在没有所述经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令的情况下，最大峰值失速扭矩将大致出现在所述电动机的定子的每个定子槽的槽跨度的径向中点处，而最小峰值失速扭矩将大致出现在所述电动机的定子的每个定子槽的槽开口的径向中点处。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令被选择，使得能够在整个转子外围获得恒定的轴扭矩输出，并且所述轴扭矩输出在每个定子槽的槽跨度的范围内是大致均匀的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扭矩命令包括被表示成百分比的失速扭矩命令。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令是通过将失速扭矩系数乘以直轴电流命令和正交轴电流命令而确定的，其中，所述失速扭矩系数由相应的检测到的转子位置限定。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令是通过将失速扭矩系数乘以被存储在数据存储装置中的一个或多个多维查找表或数据结构中的直轴电流命令和正交轴电流命令而确定的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预设扭矩阈值为电动机的峰值扭矩的80％～85％。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预设扭矩阈值为最大失速扭矩的80％。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预设速度阈值为50转/分钟至100rpm。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预设速度阈值小于或等于100转/分钟。
13.一种用于在失速工况处或接近失速工况时控制电动机的系统，该系统包括：
传感器，该传感器用于检测所述电动机的转子的旋转位置；
数据处理器，该数据处理器用于确定扭矩命令在一时间间隔内是否大于预设扭矩阈值，所述扭矩命令能够转化为直轴电流命令和正交轴电流命令，所述数据处理器适于确定电动机的转子转速在所述时间间隔内是否小于预设速度阈值；和
电流调整模块，如果所述扭矩命令大于所述预设扭矩阈值并且如果所述转子转速小于所述预设速度阈值，则所述电流调整模块调整所述直轴电流命令和正交轴电流命令以获得经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，其中，经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令根据转子的被检测到的旋转位置改变，以获得大致恒定的轴扭矩输出。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括：
数据存储装置，该数据存储装置能够通过数据总线与所述数据处理器通信；
第一查找表和第二查找表，所述第一查找表和第二查找表基于所述扭矩命令分别生成所述直轴电流命令和所述正交轴电流命令，所述第一查找表和第二查找表被存储在所述数据存储装置中。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述电流调整模块被配置为向所述电动机应用经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，以最小化或减少扭矩振荡，其中，所述电动机包括永磁体电动机，该永磁体电动机带有位于定子中的定子槽和与所述转子相关联的永磁体。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述电流调整模块被配置为选择经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，使得在横跨每个定子槽的槽跨度的每个转子位置处都能够获得恒定的轴扭矩输出，其中，在没有所述经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令的情况下，最大峰值失速扭矩将大致出现在所述电动机的定子的每个定子槽的槽跨度的径向中点处，而最小峰值失速扭矩将大致出现在所述电动机的定子的每个定子槽的槽开口的径向中点处。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电流调整模块被配置为选择经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，使得能够在整个转子外围获得恒定的轴扭矩输出，并且所述轴扭矩输出在每个槽跨度的范围内是大致均匀的。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述扭矩命令包括被表示成百分比的失速扭矩命令。
19.根据权利要求13所述的系统，其中，所述数据处理器通过将失速扭矩系数乘以直轴电流命令和正交轴电流命令而确定所述经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令，其中，所述失速扭矩系数由相应的被检测到的转子位置限定。
20.根据权利要求13所述的系统，其中，所述数据处理器通过将失速扭矩系数乘以被存储在数据存储装置中的数据结构中的直轴电流命令和正交轴电流命令而确定所述经修订的直轴电流命令和经修订的正交轴电流命令。
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