电机转速控制装置、方法、驱动设备及交通工具与流程

1.本公开涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机转速控制装置、方法、驱动设备及交通工具。


背景技术：

2.目前新国标要求电动三轮车上牌条件为时速超过50km/h，原有电机只能达到30km/h，如果通过改变电机实现成本将会大大增加，通过弱磁控制实现是一种比较通用的办法。目前使用的弱磁技术普遍是采用不改变iq(转矩电流)的条件下增大id(励磁电流)实现，这样一来母线电流限流值将比原有非弱磁控制增大很多，控制器发热量大大增加，如果不增大控制器规格将会损坏控制器。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本公开提出了一种电机转速控制装置，所述装置包括：
4.电机，
5.查表模块，用于根据电机的当前转速、设置的目标转速及预设的转速励磁电流关系确定一个或多个电流值，其中，确定的一个或多个电流值的电流大小逐渐变为负值，所述转速励磁电流关系包括转速与励磁电流的对应关系；
6.驱动模块，电连接于所述电机及所述查表模块，用于根据所述一个或多个电流值依次产生一个或多个励磁电流电流，以驱动所述电机达到目标转速，在所述电机从所述当前转速达到目标转速的情况下，所述电机的电磁转矩不变、母线电流不变。
7.在一种可能的实施方式中，所述当前转速为第一转速，所述查表模块还用于根据所述转速励磁电流关系确定从第一转速到所述目标转速的一个或多个励磁电流电流，
8.其中，当所述电机的转速为第一转速时，所述励磁电流为0，
9.其中，所述一个或多个励磁电流电流逐渐减小且均小于或等于0。
10.在一种可能的实施方式中，所述第一转速对应的励磁电流及所述目标转速对应的励磁电流为根据所述电机的励磁电流极限圆与等转矩曲线的交点确定。
11.在一种可能的实施方式中，所述电机包括永磁同步电机。
12.根据本公开的另一方面，提出了一种电机转速控制方法，所述方法包括：
13.根据电机的当前转速、设置的目标转速及预设的转速励磁电流关系确定一个或多个电流值，其中，确定的一个或多个电流值的电流大小逐渐变为负值，所述转速励磁电流关系包括转速与励磁电流的对应关系；
14.根据所述一个或多个电流值依次产生所述一个或多个励磁电流电流，以驱动所述电机达到目标转速，在所述电机从所述当前转速达到目标转速的情况下，所述电机的电磁转矩不变、母线电流不变。
15.在一种可能的实施方式中，所述当前转速为第一转速，所述方法还包括：
16.根据所述转速励磁电流关系确定从第一转速到所述目标转速的一个或多个励磁
电流电流，
17.其中，当所述电机的转速为第一转速时，所述励磁电流为0，
18.其中，所述一个或多个励磁电流电流逐渐减小且均小于或等于0。
19.在一种可能的实施方式中，所述第一转速对应的励磁电流及所述目标转速对应的励磁电流为根据所述电机的励磁电流极限圆与等转矩曲线的交点确定。
20.根据本公开的另一方面，提出了一种驱动设备，所述设备包括所述的电机转速控制装置。
21.根据本公开的另一方面，提出了一种交通工具，所述交通工具包括所述的驱动设备。
22.在一种可能的实施方式中，所述交通工具包括电动三轮车、电动摩托车、电瓶车、电动汽车的至少一种。
23.本公开实施例通过预先建立转速励磁电流关系，以在需要对电机进行升速时，利用查表模块确定转速要达到目标转速需要的一个或多个电流值，并利用驱动模块产生对应的一个或多个励磁电流电流对电极进行驱动，以使得电机的转速达到目标转速，通过以上装置，本公开实施例可以在不提高电机的电磁转矩、母线电流的情况下升高电机转速，避免了电机升速时发热量的增加，保护了电机。
24.根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
25.包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
26.图1示出了根据本公开一实施例的电机转速控制装置的框图。
27.图2、图3示出了根据本公开一实施例的电压极限圆、电流极限圆的示意图。
28.图4示出了本公开一实施例的电机转速控制装置的仿真示意图。
29.图5示出了根据本公开一实施例的电机的电流极限圆、电压极限圆的示意图。
30.图6示出了根据本公开一实施例的电机转速控制方法的流程图。
具体实施方式
31.以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
32.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
35.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
36.另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
37.请参阅图1，图1示出了根据本公开一实施例的电机转速控制装置的框图。
38.如图1所示，所述装置包括：
39.电机10，
40.查表模块20，用于根据电机的当前转速、设置的目标转速及预设的转速励磁电流关系确定一个或多个电流值，其中，确定的一个或多个电流值的电流大小逐渐变为负值，所述转速励磁电流关系包括转速与励磁电流的对应关系；
41.驱动模块30，电连接于所述电机10及所述查表模块20，用于根据所述一个或多个电流值依次产生一个或多个励磁电流电流，以驱动所述电机10达到目标转速，在所述电机从所述当前转速达到目标转速的情况下，所述电机的电磁转矩不变、母线电流不变。
42.本公开实施例通过预先建立转速励磁电流关系，以在需要对电机进行升速时，利用查表模块确定转速要达到目标转速需要的一个或多个电流值，并利用驱动模块产生对应的一个或多个励磁电流电流对电极进行驱动，以使得电机的转速达到目标转速，通过以上装置，本公开实施例可以在不提高电机的电磁转矩、母线电流的情况下升高电机转速，避免了电机升速时发热量的增加，保护了电机。
43.在一个示例中，电机10可以是各种同步电机，例如可以为永磁同步电机。
44.在一个示例中，查表模块20、驱动模块30可以通过专用硬件电路实现，例如，查表模块20可以包括查表电路，驱动模块30可以包括直流-交流(dc-ac)电路等，例如可以包括逆变器，以将直流电转换为交流电驱动电机转动。在一个实例中，查表模块20可以根据查表电路确定与目标转速对应的一个或多个电流值。
45.在一个示例中，查表模块20还可以通过通用硬件电路实现，例如通过一个或多个应用专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微控制器、微处理器、或其他电子元件，并结合现有查表逻辑指令实现，例如，可以利用微处理器执行查表过程以确定一个或多个电流值，当然，利用通用硬件电路实现查表的方式可以参考相关技术实现。
46.在一个示例中，可以提前建立电机的转速励磁电流关系，并将该转速励磁电流关系存储在查表模块20中，以便在需要时被调用查询，以确定一个或多个电流值。
47.在一个示例中，转速励磁电流关系中可以包括从第一转速到第二转速(即目标转
速)与励磁电流的对应关系，其中，所述第一转速对应的励磁电流为0，第二转速对应的励磁电流为负值，从第一转速到第二转速对应的电流值逐渐减小。
48.在一种可能的实施方式中，所述当前转速为第一转速，所述查表模块还用于根据所述转速励磁电流关系确定从第一转速到所述目标转速的一个或多个励磁电流电流，
49.其中，当所述电机的转速为第一转速时，所述励磁电流为0，
50.其中，所述一个或多个励磁电流电流逐渐减小且均小于或等于0。
51.在一种可能的实施方式中，所述第一转速对应的励磁电流及所述目标转速对应的励磁电流为根据所述电机的励磁电流极限圆与等转矩曲线的交点确定。
52.下面以电机为永磁同步电机为例对确定电机的转速励磁电流关系的过程进行示例性说明。
53.永磁同步电机在运行中受逆变器的最大容许电流和电压的限制。对于内置式永磁同步电机，电机的可用工作点为电流极限圆与电压极限椭圆的公共区域。
54.如下为内置式永磁同步电机的电压方程：
[0055][0056]
式中，ud表示d轴电压、uq表示q轴电压，rs表示定子电阻，id表示d轴电流(励磁电流)，iq表示q轴电流(转矩电流)；ld表示d轴电感，lq表示q轴电感；u
max
表示最大电压；ψf表示转子磁链；ωe表示电角速度。
[0057]
在正弦稳态下，忽略占比较小的电阻压降，得到简化后的电压方程如下：
[0058][0059]
根据电压方程可得电压极限椭圆方程如下：
[0060][0061]
受逆变器和电机最大容许电流的限制，电流极限圆方程如下：
[0062][0063]
式中，i
max
表示最大电流。
[0064]
另外，内置式永磁同步电机的输出电磁转矩为：
[0065][0066]
式中，pn是电机极对数。
[0067]
根据电磁转矩公式(5)，可以得到电机在dq平面的等转矩曲线，即工作点在这条曲线上时，电机的电磁转矩相等。如(6)所示，可见等转矩曲线为一组双曲线簇
[0068][0069]
请参阅图2、图3，图2、图3示出了根据本公开一实施例的电压极限圆、电流极限圆的示意图。
[0070]
在一个示例中，如图2所示，电流极限圆与电压极限圆的重叠的灰色区域为电机的可运行工作范围，其中，虚线表示电机的等转矩曲线。
[0071]
在一个示例中，如图3所示，工作点a是励磁电流id＝0控制时的最大电磁转矩对应的等转矩曲线与电流极限圆的交点。
[0072]
在一个示例中，如图3所示，工作点b于工作点a在一条等转矩曲线上，由于工作点a和工作点b在一条等转矩曲线上，因此，在工作点a和工作点b上，电机输出的电磁转矩是相等的。
[0073]
在电机的工作过程中，电压极限圆的大小随着转速的升高而缩小。在id＝0控制方式中，当电压极限圆缩小到与电流极限圆的交点为工作点a时(等转矩曲线与电流极限圆的交点)，电机的反电动势达到驱动模块(如其中包括的逆变器)的最大输出电压，电机的转速达到最大。若要继续升高转速，需要控制励磁电流id为负值，以削弱电机的定子磁场，从而减小反电动势，使逆变器输出电压能够满足电机的运行。
[0074]
本公开实施例通过控制励磁电流id为负值，使电机工作点从a沿着ab曲线向工作点b移动。图2中示出了工作点a和工作点b相对应的电压极限圆a和电压极限圆b，可见，电压极限圆b比电压极限圆a要小，而且，工作点b点对应的转速nb要大于工作点a的转速na。以一台电机为例，假设该电机的ld为5mh，lq为12mh，转子磁链ψf为0.2wb，最大电流i
max
为50a，最大电压u
max 220v。转矩为60nm，经过计算，工作点a的转速na为707转/分钟，工作点b的转速nb为1804转/分钟，在该示例中，本公开实施例通过控制驱动模块输出沿着ab曲线从工作点a的电流(id＝0)到工作点b的电流(id小于0)，可以在保持电磁转矩不变、母线电流不变的情况下将电机转速提高到约等于之前转速的三倍。
[0075]
下面对确定工作点b处对应的励磁电流i
db
的过程进行示例性说明。
[0076]
根据电磁转矩公式(5)，工作点a处对应的等转矩曲线的转矩为：
[0077][0078]
则在另一个工作点b处，
[0079][0080]
联立公式(8)和公式(4)电流极限圆方程，得关于id和iq的方程组：
[0081][0082]
用id表示iq，得：
[0083]
[0084]
令：
[0085][0086]
则：
[0087][0088]
联立方程组得到关于x的函数f(x)，并令其值为0可得i
db
的值：
[0089]
f(x)的导数为：
[0090][0091]
迭代式为(初值设置为-0.5i
max
)：
[0092][0093]
通过以上计算可以求得工作点b的励磁电流i
db
的值，并建立转速与励磁电流的对应关系(转速励磁电流关系)，在需要电机需要升速时，利用查表模块确定目标转速对应的励磁电流，并利用驱动模块输出该励磁电流以驱动电机按照图中ab轨迹来运行，以使得电机达到目标转速。
[0094]
请参阅图4，图4示出了本公开一实施例的电机转速控制装置的仿真示意图。
[0095]
请参与图5，图5示出了根据本公开一实施例的电机的电流极限圆、电压极限圆的示意图。
[0096]
在一个示例中，如图4所示，电机在a点开始进入弱磁区，id变为负值。由于在id变为负值的过程中磁阻转矩发挥作用，因此转矩在弱磁的过程中变大，由于转矩增加，因此电机的转速变快，这一过程对应图5中的a至b。到达b点后，转速达到目标转速。对应图5轨迹中的b点。当电机的转速达到目标转速时，如图4所示，电机的转矩恢复到与原来的相同，即，从第一转速到目标转速，且稳定时(如c点)，电机的电磁转矩不变、母线电流不变。
[0097]
通过以上过程，本公开实施例可以提前确定转速励磁电流关系，并将该转速励磁电流关系存储在查表模块中，以实现在不改变母线电流限流值、不改变电磁转矩的情况下实现转速的升高。
[0098]
请参阅图6，图6示出了根据本公开一实施例的电机转速控制方法的流程图。
[0099]
如图6所示，所述方法包括：
[0100]
步骤s11，根据电机的当前转速、设置的目标转速及预设的转速励磁电流关系确定一个或多个电流值，其中，确定的一个或多个电流值的电流大小逐渐变为负值，所述转速励
磁电流关系包括转速与励磁电流的对应关系；
[0101]
步骤s12，根据所述一个或多个电流值依次产生所述一个或多个励磁电流电流，以驱动所述电机达到目标转速，在所述电机从所述当前转速达到目标转速的情况下，所述电机的电磁转矩不变、母线电流不变。
[0102]
本公开实施例通过预先建立转速励磁电流关系，以在需要对电机进行升速时，利用查表模块确定转速要达到目标转速需要的一个或多个电流值，并利用驱动模块产生对应的一个或多个励磁电流电流对电极进行驱动，以使得电机的转速达到目标转速，通过以上装置，本公开实施例可以在不提高电机的电磁转矩、母线电流的情况下升高电机转速，避免了电机升速时发热量的增加，保护了电机。
[0103]
在一种可能的实施方式中，所述当前转速为第一转速，所述方法还可以包括：
[0104]
根据所述转速励磁电流关系确定从第一转速到所述目标转速的一个或多个励磁电流电流，
[0105]
其中，当所述电机的转速为第一转速时，所述励磁电流为0，
[0106]
其中，所述一个或多个励磁电流电流逐渐减小且均小于或等于0。
[0107]
在一种可能的实施方式中，所述第一转速对应的励磁电流及所述目标转速对应的励磁电流为根据所述电机的励磁电流极限圆与等转矩曲线的交点确定。
[0108]
应该说明的是，所述电机转速控制方法为所述电机转速控制装置对应的方法，其具体介绍请参考之前对方法的描述，在此不再赘述。
[0109]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：
1.一种电机转速控制装置，其特征在于，所述装置包括：电机，查表模块，用于根据电机的当前转速、设置的目标转速及预设的转速励磁电流关系确定一个或多个电流值，其中，确定的一个或多个电流值的电流大小逐渐变为负值，所述转速励磁电流关系包括转速与励磁电流的对应关系；驱动模块，电连接于所述电机及所述查表模块，用于根据所述一个或多个电流值依次产生一个或多个励磁电流电流，以驱动所述电机达到目标转速，在所述电机从所述当前转速达到目标转速的情况下，所述电机的电磁转矩不变、母线电流不变。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述当前转速为第一转速，所述查表模块还用于根据所述转速励磁电流关系确定从第一转速到所述目标转速的一个或多个励磁电流电流，其中，当所述电机的转速为第一转速时，所述励磁电流为0，其中，所述一个或多个励磁电流电流逐渐减小且均小于或等于0。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一转速对应的励磁电流及所述目标转速对应的励磁电流为根据所述电机的励磁电流极限圆与等转矩曲线的交点确定。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电机包括永磁同步电机。5.一种电机转速控制方法，其特征在于，所述方法包括：根据电机的当前转速、设置的目标转速及预设的转速励磁电流关系确定一个或多个电流值，其中，确定的一个或多个电流值的电流大小逐渐变为负值，所述转速励磁电流关系包括转速与励磁电流的对应关系；根据所述一个或多个电流值依次产生所述一个或多个励磁电流电流，以驱动所述电机达到目标转速，在所述电机从所述当前转速达到目标转速的情况下，所述电机的电磁转矩不变、母线电流不变。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述当前转速为第一转速，所述方法还包括：根据所述转速励磁电流关系确定从第一转速到所述目标转速的一个或多个励磁电流电流，其中，当所述电机的转速为第一转速时，所述励磁电流为0，其中，所述一个或多个励磁电流电流逐渐减小且均小于或等于0。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一转速对应的励磁电流及所述目标转速对应的励磁电流为根据所述电机的励磁电流极限圆与等转矩曲线的交点确定。8.一种驱动设备，其特征在于，所述设备包括如权利要求1-4任一项所述的电机转速控制装置。9.一种交通工具，其特征在于，所述交通工具包括如权利要求8所述的驱动设备。10.根据权利要求9所述的交通工具，其特征在于，所述交通工具包括电动三轮车、电动摩托车、电瓶车、电动汽车的至少一种。

技术总结
本公开涉及电机转速控制装置、方法、驱动设备及交通工具，所述装置包括：电机，查表模块，用于根据电机的当前转速、设置的目标转速及预设的转速励磁电流关系确定一个或多个电流值，所述转速励磁电流关系包括转速与励磁电流的对应关系；驱动模块，用于根据所述一个或多个电流值依次产生一个或多个励磁电流电流，以驱动所述电机达到目标转速，在所述电机从所述当前转速达到目标转速的情况下，所述电机的电磁转矩不变、母线电流不变。通过以上装置，本公开实施例可以在不提高电机的电磁转矩、母线电流的情况下升高电机转速，避免了电机升速时发热量的增加，保护了电机。保护了电机。保护了电机。


技术研发人员：丛凤龙 张文荣 陆健 包旭鹤 罗鹏
受保护的技术使用者：上海晟矽微电子股份有限公司
技术研发日：2020.11.23
技术公布日：2022/5/25