用于电机的控制方法和装置、电机组件及燃料电池系统与流程

1.本发明涉及一种用于电机的控制方法、一种用于电机的控制装置、一种电机组件以及一种燃料电池系统。


背景技术：

2.永磁同步电机在各种工业领域中用作驱动装置。永磁同步电机因具有体积小、效率高、损耗低、电磁转矩大等优点，而得到广泛的应用。
3.用于永磁同步电机的控制装置通常需要检测转子的转动位置的传感器以执行对电机的驱动控制。然而，这种传感器的使用将增大电机的体积和成本，而且在高温、潮湿及其他恶劣条件下工作时，传感器的可靠性降低。另外，对驱动装置的旋转速度的要求越来越高。例如在燃料电池中，需要高速驱动装置来供给空气。然而对于高速驱动装置，在电机的转子上安装位置传感器是件非常困难的事。因此，开发了通过基于例如电流或电压之类的信息来估计旋转角度，以及通过使用所估计的旋转角度而不使用传感器来控制电机的无传感器控制方法。
4.已知直接或间接地基于从电机的反电动势提取位置信息的用于永磁电机的无传感器控制方法。例如，状态观测、虚拟转子位置、以及电压和电流测量已被成功用于无传感器电机控制方法中。由于反电动势实际上在电机起动和低速阶段并不存在，因此这种控制方法在电机起动阶段和低速转动阶段误差较大。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种改进的用于电机的控制方法和控制装置以及一种电机组件和一种燃料电池系统，使得电机能够在整个运行期间都稳定可靠地运行。电机的整个运行期间尤其包括起动阶段、相对低速阶段和相对高速阶段。
6.根据本发明的第一方面，提供了一种用于电机的控制方法，其中，所述控制方法包括下述步骤：
7.将电机的转速与预定的转速阈值进行比较；
8.当电机的转速低于预定的转速阈值时，执行第一控制模式，其中，根据用于电机的目标转速指令，确定用于控制电机的控制信号；
9.在电机的转速增大至高于预定的转速阈值之后，
10.获取电机的当前的运行信息；
11.根据电机的当前的运行信息，确定实时的电机参数；以及
12.执行第二控制模式，其中，根据目标转速指令、电机的当前的运行信息以及实时的电机参数，确定用于控制电机的控制信号。
13.根据一个示例性实施例，根据电机的当前的运行信息，通过查询预先存储的电机参数表确定实时的电机参数，其中，电机参数表包含在不同的电机运行状态下的电机参数信息。
14.根据一个示例性实施例，电机参数表基于离线状态下的电机参数来获得；和/或电机参数表基于试运行状态下的电机参数来获得。
15.根据一个示例性实施例，实时的电机参数包括下述参数中的至少一种：定子电感、定子电阻和转子磁链。
16.根据一个示例性实施例，实时的电机参数根据下述参数中的至少一种来确定：电机的温度、电机的电流、电机的电压和电机的转速。
17.根据一个示例性实施例，在电机的转速增大到预定的转速阈值之后，并且在执行第二控制模式之前，执行过渡模式，其中，将基于第一控制模式确定的控制信号与基于第二控制模式确定的控制信号按比例结合，并将结合的控制信号作为最终控制信号。
18.根据一个示例性实施例，在过渡模式下，基于第一控制模式确定的控制信号在最终控制信号中所占的比例从100％降低至0％。
19.根据一个示例性实施例，所述控制方法包括：将接收到的初始转速指令经过调整，转换成目标转速指令。
20.根据一个示例性实施例，在第一控制模式下，执行用于电机的变压/变频开环控制。
21.根据一个示例性实施例，在第二控制模式下，执行用于电机的基于扩展卡尔曼滤波器的闭环控制。
22.根据一个示例性实施例，在电机的转速增大至高于预定的转速阈值之后，进行扩展卡尔曼滤波器的可信度判断，仅在判断出扩展卡尔曼滤波器稳定工作之后才执行第二控制模式。
23.根据本发明的第二方面，提供了一种用于执行根据本发明的控制方法的用于电机的控制装置，其中，所述控制装置包括控制器和用于根据来自控制器的控制信号驱动电机的驱动电路。
24.根据本发明的第三方面，提供了一种电机组件，其中，所述电机组件包括定子、转子和根据本发明的控制装置。
25.根据本发明的第四方面，提供了一种燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统包括根据本发明的控制装置或根据本发明的电机组件。
26.本发明的积极效果在于：通过根据本发明的用于电机的控制方法和控制装置，使得电机能够在包括起动阶段、相对低速阶段和相对高速阶段的整个运行期间都稳定可靠地运行，并且能够适应高速运转的需求。通过稳定可靠的高速电机，可满足燃料电池系统对驱动装置的要求。
附图说明
27.下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：
28.图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于电机的控制装置的示意图；
29.图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的第一控制模块的示意图；
30.图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的第二控制模块的示意图；以及
31.图4示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于电机的控制装置的示意图。
具体实施方式
32.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。
33.图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于电机的控制装置的示意图。所述电机例如为永磁同步电机。下面以三相电机为例对本发明进行说明。但应理解，本发明不限于对永磁同步电机和三相电机的控制。
34.用于电机的控制装置可包括接收用于电机的转速指令并输出控制信号的控制器和用于根据控制信号驱动电机的驱动电路。
35.控制器可包括主控制模块1。所述主控制模块1可设置为双级控制模块，并包括第一控制模块11和第二控制模块12。第一控制模块11设置成用于执行第一控制模式，其中，根据用于电机的目标转速指令并基于预定的动态模型，确定用于控制电机的控制信号。所述控制信号可以是用于确定电机定子的各相电压的电压控制信号目标转速指令表示由控制装置控制的电机的待实现的转速。第二控制模块12设置成用于执行第二控制模式，其中，根据目标转速指令并基于电机的当前的运行信息，确定用于控制电机的控制信号。运行信息可以是电流信息i
abc
、例如由传感器测得的三相采样电流。通过在确定用于控制电机的控制信号时考虑到电机的当前的运行信息，形成了反馈控制。
36.控制器还包括模式选择模块2，所述模式选择模块2设置成能够将电机的转速与预定的转速阈值进行比较，使得在电机的转速低于预定的转速阈值时运行第一控制模块11，在电机的转速增大至高于预定的转速阈值之后运行第二控制模块12。在此，电机的转速可根据目标转速指令和/或由主控制模块1估计的电机的当前转速来确定。预定的转速阈值例如在4000rpm到6000rpm之间，例如为5000rpm。
37.利用第一控制模块11可执行开环控制。利用第二控制模块12可执行闭环控制。借助于双级控制模块和模式选择模块2，使得能够在电机起动阶段和相对低速阶段采用开环控制模式，以避免电压估计错误所带来的负面影响，从而实现准确的控制，同时能够在电机的转速增大到预定的转速阈值时采用闭环控制模式，以实现更加可靠的控制。
38.控制器还可执行过渡模式。在电机的转速增大到预定的转速阈值之后，并且在执行第二控制模式之前，执行过渡模式，其中，将基于第一控制模式确定的控制信号与基于第二控制模式确定的控制信号按比例结合，并将结合的控制信号作为最终控制信号。在过渡模式下，基于第一控制模式确定的控制信号在最终控制信号中所占的比例从100％降低至0％。在过渡模式下，第一控制模块11输出的控制信号与第二控制模块12输出的控制信号按比例结合，并输出最终控制信号，其中，第一控制模块11输出的控制信号所占的比例可从100％降低至0％，第二控制模块12输出的控制信号所占的比例相应地从0％升高至100％。例如，在过渡模式下的某一时刻，最终控制信号＝第一控制模块11输出的控制信号*a 第二控制模块12输出的控制信号*(1-a)，其中，100≥a≥0。通过过渡模式，可避免在第一控制模式切换至第二控制模式的过程中发生震荡。
39.控制器还可包括在线参数模块3。所述在线参数模块3可在电机运行时，根据电机的当前的运行信息，确定实时的电机参数。第二控制模块12进一步设置成能够根据目标转
速指令电机的当前的运行信息以及实时的电机参数，确定用于控制电机的控制信号。在电机运行过程中，尤其在电机以高速和超高速运行时，电机参数会发生变化。借助于在线参数模块3，控制装置可基于实时的电机参数对电机进行控制，从而适应电机在运行时的参数变化，提高电机控制的准确性和稳定性。由此，电机能够更加稳定可靠地运行。
40.在线参数模块3可通过查询预先存储的电机参数表确定实时的电机参数，其中，电机参数表包含在不同的电机运行状态下的电机参数信息。由此，可减少控制装置的计算量，特别是在超高速运行下降低了控制装置的计算负载。
41.电机参数表可基于离线状态下的电机参数来获得。替代地或附加地，电机参数表可基于试运行状态下的电机参数来获得。例如可对电机进行试运行并记录不同的电机运行状态下的电机参数。基于离线状态下的电机参数和/或试运行状态下的电机参数，可预估电机运行时可能发生的电机参数变化，并以电机参数表的形式存储在电机的控制装置中。通过电机参数表可获得贴近真实情况的电机参数。
42.实时的电机参数可包括下述参数中的至少一种：电机的定子电感、电机的定子电阻和电机的转子磁链。
43.在电机参数表中，实时的电机参数根据下述参数中的至少一种来确定：电机的温度、电机的电流、电机的电压和电机的转速。电机的温度例如是通过传感器测得的定子的温度。电机的电流例如是通过电流传感器测得的定子的电流。电机的电压例如由电压控制信号来表示。
44.根据本发明的一个示例性实施例，电机的定子电感可根据电机的电流，通过查询二维的定子电感表来确定，该定子电感表的输入为电机的电流、例如直轴电流id和交轴电流iq，输出为定子电感。
45.根据本发明的一个示例性实施例，电机的定子电阻可根据电机的温度，并例如通过下式确定：
46.定子电阻＝常温电阻*(1 (电机的温度-常温)*温度系数)*集肤效应系数
47.其中，常温通常指25℃，集肤效应系数通过查询一维的集肤效应系数表得到，该集肤效应系数表的输入为转速，输出为集肤效应系数。
48.根据本发明的一个示例性实施例，电机的转子磁链可根据电机的电流、直轴电流id以及电机的温度、例如电机转子温度，并例如通过下式确定：
49.转子磁链＝常温磁链*(1-(转子温度-常温)*系数)
50.其中，常温磁链可通过查询常温(25℃)下标定的一维的常温磁链表得到，该常温磁链表的输入为直轴电流id，输出为常温磁链值；转子温度可通过查询一维的转子温度表得到，该转子温度表的输入为电机定子温度，输出为转子温度。
51.图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的第一控制模块11的示意图。第一控制模块11例如可实施为变压/变频(v/f)开环控制模块。
52.第一控制模块11可包括位置指令模块111、第一电压指令模块112和第一控制信号模块113，其中，位置指令模块111根据目标转速指令产生位置指令θ
*
，第一电压指令模块112根据目标转速指令产生电压指令v
*
，第一控制信号模块113根据位置指令θ
*
和电压指令v
*
产生控制信号。
53.第一控制模块11可基于预定的动态模型估计转子位置，而无需测量电机的当前的运行信息。
54.图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的第二控制模块12的示意图。第二控制模块12可实施为基于扩展卡尔曼滤波器的闭环控制模块。
55.第二控制模块12可包括扩展卡尔曼滤波模块121。例如，扩展卡尔曼滤波模块121可根据主控制模块1确定的电压控制信号和通过传感器测得的采样电流i
abc
、例如三相采样电流，确定电机的当前转子位置和当前转速
56.在一个示例性实施例中，在电机的转速增大至高于预定的转速阈值之后，进行扩展卡尔曼滤波器的可信度判断，仅在判断出扩展卡尔曼滤波器稳定工作之后才执行第二控制模式。扩展卡尔曼滤波器的可信度判断可包括下述步骤中的至少一个：扩展卡尔曼滤波模块121估算电机的定子电流，将由卡尔曼滤波模块121估算的定子电流与采样电流进行比较得出第一差值；扩展卡尔曼滤波模块121估算的当前转速，将由扩展卡尔曼滤波模块121估算的当前转速与目标转速指令进行比较得出第二差值；扩展卡尔曼滤波模块121估算电机的当前转子位置，将由扩展卡尔曼滤波模块121估算的当前转子位置与位置指令θ
*
进行比较得出第三差值。当上述步骤得出相应的差值小于预定的值时，判断扩展卡尔曼滤波器已稳定工作。
57.第二控制模块12还可包括：扭矩指令模块122，其根据目标转速指令和扩展卡尔曼滤波模块121所确定的当前转速确定扭矩指令电流指令模块123，其根据扭矩指令确定电流指令电流转换模块124，其将当前的电流信息i
abc
转换成交轴电流和直轴电流；第二电压指令模块125，其根据电流指令与由当前的电流信息i
abc
转换成的交轴电流和直轴电流，确定电压指令第二控制信号模块126，其根据电压指令和当前转子位置确定控制信号。
58.第二控制模块12可例如根据由主控制模块1确定的电压控制信号和三相采样电流，估计转子位置在本实施例中，转子位置的估计借助于扩展卡尔曼滤波器来实现。利用第二控制模块12实现的闭环控制特别适用于电机的高速和超高速运行。由此，电机例如可以以高达120000rpm的转速稳定地运行。
59.图4示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于电机的控制装置的示意图。
60.相对于图1所示的实施例而言附加地，用于电机的控制装置还可包括转速整形模块4，所述转速整形模块4将接收到的初始转速指令n
*
进行调整，并转换成目标转速指令然后将目标转速指令传递给主控制模块1和模式选择模块2。转速整形模块4可基于电机的参数对初始转速指令n
*
进行调整，从而生成特别适用于电机的目标转速指令转速整形模块4可从上游控制器接收初始转速指令n
*
。通过转速整形模块4，可将初始转速指令n
*
转换成变化较为平缓的目标转速指令这在初始转速指令n
*
发生阶跃式变化或相对于电机当前的转速相差较大的情况下尤为有利。
61.特别是，在电机的起动阶段，转速整形模块4可基于预定的起动转速曲线，将初始转速指令n
*
转换成调整后的目标转速指令
62.本发明还涉及一种用于电机的控制方法，其中，所述控制方法包括下述步骤：
63.将电机的转速与预定的转速阈值进行比较；
64.当电机的转速低于预定的转速阈值时，执行第一控制模式，其中，根据用于电机的目标转速指令确定用于控制电机的控制信号；
65.在电机的转速增大至高于预定的转速阈值之后，
66.获取电机的当前的运行信息；
67.根据电机的当前的运行信息，确定实时的电机参数；以及
68.执行第二控制模式，其中，根据目标转速指令电机的当前的运行信息以及实时的电机参数，确定用于控制电机的控制信号。
69.根据本发明的用于电机的控制方法的进一步发展可从上文针对用于电机的控制装置的描述中得出。
70.根据本发明的用于电机的控制方法和控制装置可用于控制燃料电池系统中的电机。该电机尤其可驱动用于供给空气的压缩机。在燃料电池系统中，需要将充足的空气供给至电池单元。通过提高电机的转速，压缩机能够提供充足的空气，而无需增大压缩机的体积。
71.本文中所述的“模块”表示可通过软件和/或硬件实现的模块。
72.根据本发明的用于电机的控制方法和控制装置为无位置传感器控制方法和无位置传感器控制装置。
73.尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。