马达控制方法及马达控制装置与流程

1.本发明关于一种马达控制方法及马达控制装置，尤其涉及一种可快速提高马达转速的马达控制方法及马达控制装置。


背景技术：

2.电动汽车的技术日益成熟，由于电动汽车的马达在低速时能输出很大的扭矩(torque)，而且马达转速的工作范围很广，所以大部分电动汽车都采用只有单一个文件位的变速模式。但是在马达低转速的情况下，电驱动系统，例如逆变器、马达以及齿轮箱等组件的运作效率通常低于在马达高转速的情况下的运作效率。又因为电动汽车常使用的永磁同步马达在高转速下所输出扭矩会逐渐变小，所以一个具备两档变速或是多档变速的变速箱将是提升电驱动系统整体效率的未来趋势。为了实现多档变速，如何提供一个反应速度快且控制精确度高的马达转速控制器已成为业界普遍关注的课题之一。


技术实现要素：

3.(一)发明目的
4.因此，本发明的目的在于提供一种可快速提高马达转速的马达控制方法及马达控制装置，以解决上述问题。
5.(二)技术方案
6.为解决上述问题，根据本发明的一个方面,本发明提供了一种马达控制方法，包括：取得目标转速指令以及马达的马达转速；根据所述目标转速指令产生前馈扭矩；根据所述马达转速与所述目标转速指令产生扭矩修正值；以及根据所述前馈扭矩与所述扭矩修正值产生目标扭矩以控制所述马达。
7.进一步的，取得所述目标转速指令包括：接收原始目标转速指令；以及根据所述马达的扭矩限制值及所述原始目标转速指令产生所述目标转速指令。
8.进一步的，根据所述目标转速指令产生前馈扭矩的步骤包括：对所述目标转速指令进行微分运算以产生加速度指令；以及将所述加速度指令与马达转动惯量相乘以产生所述前馈扭矩。
9.进一步的，根据所述马达转速与所述目标转速指令产生扭矩修正值的步骤包括：将所述马达转速与所述目标转速指令相减以产生转速误差信号；以及根据所述转速误差信号产生所述扭矩修正值。
10.进一步的，根据所述前馈扭矩与所述扭矩修正值产生目标扭矩以控制所述马达的步骤包括：将所述前馈扭矩与所述扭矩修正值相加以产生所述目标扭矩来控制所述马达。
11.根据本发明的另一个方面,本发明提供了一种马达控制装置，用于马达，包括：目标转速产生装置，用于输出目标转速指令；前馈扭矩产生装置，用于根据所述目标转速指令产生前馈扭矩；转速传感器，用于侦测所述马达的马达转速；控制器，用于根据所述马达转速及所述目标转速指令产生扭矩修正值；以及加法装置，用于根据所述前馈扭矩与所述扭
矩修正值产生目标扭矩以控制所述马达。
12.进一步的，所述目标转速产生装置接收原始目标转速指令，并根据所述马达的扭矩限制值及所述原始目标转速指令产生所述目标转速指令。
13.进一步的，所述目标转速产生装置包括斜率限制电路，所述目标转速产生装置接收所述原始目标转速指令后，所述斜率限制电路根据所述马达的所述扭矩限制值及所述原始目标转速指令产生所述目标转速指令。
14.进一步的，所述前馈扭矩产生装置对所述目标转速指令进行微分运算得到加速度指令，并将所述加速度指令与马达转动惯量相乘以得到所述前馈扭矩。
15.进一步的，还包括：减法装置，用于将所述马达转速与所述目标转速指令相减以产生转速误差信号，使所述控制器根据所述转速误差信号产生所述扭矩修正值。
16.进一步的，所述控制器为比例-积分控制器。
17.进一步的，所述加法装置将所述前馈扭矩与所述扭矩修正值相加以产生所述目标扭矩来控制所述马达。
附图说明
18.图1是本发明实施例的马达系统的示意图；
19.图2是本发明实施例的马达控制流程的示意图。
20.附图标记：
21.1:马达系统
22.10:马达控制装置
23.102:目标转速产生装置
24.1020斜率限制电路
25.104:前馈扭矩产生装置
26.106:转速传感器
27.108:控制器
28.110:加法装置
29.112:减法装置
30.2:流程
31.20:马达
32.30:扭矩控制器
33.s200,s202,s204,s206,s208,s210:步骤
具体实施方式
34.在说明书及后续的专利申请范围当中使用了某些词汇来指代特定的元件。所属领域技术人员应该可以理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及后续的专利申请范围并不以名称的差异来做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的准则。在通篇说明书及后续的专利申请范围当中所提及的「包括」是开放式的用语，故应解释成「包括但不限定于」。
35.以外，「耦接」一词在这里是包括任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描
述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。
36.请参考图1，图1是本发明实施例的马达系统1的示意图。马达系统1包括：马达控制装置10、马达20以及扭矩控制器30。马达控制装置10用于控制马达20，进而可快速提高转速。马达控制装置10能够产生目标扭矩，以使扭矩控制器30通过产生相应的驱动讯号来控制马达20运作。马达控制装置10包括目标转速产生装置102、前馈扭矩产生装置104、转速传感器106、控制器108以及加法装置110。目标转速产生装置102用于输出目标转速指令。前馈扭矩产生装置104耦接于目标转速产生装置102，用于根据目标转速指令产生前馈扭矩。转速传感器106用于侦测马达20的马达转速。控制器108用于根据马达转速及目标转速指令产生扭矩修正值。
37.可选的，控制器108为比例-积分控制器(proportional-integral controller，p-i controller)，但不以此为限。
38.加法装置110用于将前馈扭矩与扭矩修正值相加以产生目标扭矩以控制马达20，进而使马达20快速提高转速。扭矩控制器30根据目标扭矩产生驱动讯号来控制马达20运作，以实现快速提高转速的目的。
39.请参考图2，关于马达系统1的运作方法，可归纳为流程2，请参考图2，图2是本发明实施例的流程2的示意图。流程2包括以下步骤：
40.步骤s200：开始。
41.步骤s202：取得目标转速指令以及马达20的马达转速。
42.步骤s204：根据目标转速指令产生前馈扭矩。
43.步骤s206：根据马达转速与目标转速指令产生扭矩修正值。
44.步骤s208：根据前馈扭矩与扭矩修正值产生目标扭矩以控制马达20。
45.步骤s210：结束。
46.根据流程2，在步骤s202中，目标转速产生装置102用于输出目标转速指令。目标转速指令是有关于马达20的原始目标转速指令。
47.可选的，目标转速产生装置102接收原始目标转速指令并将所接收到原始目标转速指令直接输出做为目标转速指令。
48.可选的，目标转速产生装置102接收原始目标转速指令并对原始目标转速指令进行整形控制或滤波处理后产生目标转速指令，如此一来，可避免前馈扭矩产生装置104所产生的前馈扭矩大于实际马达扭矩能力，并且可降低过冲的问题。
49.可选的，目标转速产生装置102还包括斜率限制电路1020。在目标转速产生装置102接收原始目标转速指令后，斜率限制电路1020根据马达20的扭矩限制值及原始目标转速指令产生目标转速指令。扭矩限制值是有关于马达20的扭矩最大能力。斜率限制电路1020基于马达20的扭矩限制值对原始目标转速指令进行整形控制，以使原始目标转速指令所对应的转速所产生的马达20的扭矩可被限制在扭矩限制值之下以产生相应目标转速指令。
50.可选的，若马达20的转动惯量为0.04公斤力-平方公尺(kgm2)，欲达到最快在0.1秒内从0转/分(rpm)加速到10000转/分(rpm)，至少需要马达20加上控制器能输出420牛顿米(nm)的扭矩。在此情况下，若马达20的扭矩限制值为420nm，也就是马达20的最大输出扭
矩为420nm，则斜率限制电路1020需要用来限制马达转速的加速度在100rpm/1ms以内。也就是说，当马达20的转动惯量为0.04kgm2以及扭矩限制值为420nm，斜率限制电路1020可限制原始目标转速指令中的转速在每毫秒时间内其转速变化不超过100rpm，以产生相应目标转速指令。
51.可选的，斜率限制电路1020可将原始目标转速指令中在每毫秒时间内转速变化超过100rpm的指令区段设定为每毫秒时间内转速变化等于100rpm，以产生相应目标转速指令。
52.可选的，斜率限制电路1020可滤除原始目标转速指令中每毫秒时间内转速变化超过100rpm的指令区段以产生相应目标转速指令。
53.在步骤s204中，前馈扭矩产生装置104耦接于目标转速产生装置102，用于根据目标转速指令产生前馈扭矩。前馈扭矩产生装置104可对目标转速指令进行微分运算得到加速度指令并将加速度指令与马达转动惯量相乘得到前馈扭矩。
54.在步骤s206中，控制器108根据马达转速及目标转速指令产生扭矩修正值。
55.可选的，马达控制装置10还包括减法装置112。减法装置112将马达转速与目标转速指令相减以产生转速误差信号。控制器108接收转速误差信号，并根据转速误差信号产生扭矩修正值。
56.可选的，控制器108是比例-积分控制器(proportional-integral controller，p-i controller)，比例-积分控制器的传递函数如式(1)所示，从传递函数可以得知，比例-积分控制器受频带带宽影响，当输入信号(目标转速指令)有高频分量时，输出信号(反馈转速)无法有效的跟随。
[0057][0058]
其中，k
p
为比例控制参数，ki为积分控制参数，j为马达20的转动惯量，s＝2πf。
[0059]
也就是说，当仅使用比例-积分控制器来处理而直接将扭矩修正值输出至扭矩控制器30时，若转速误差信号包含有高频分量时，扭矩修正值将无法有效的跟随，通过扭矩修正值控制的马达就无法快速且精确地提高转速。
[0060]
在步骤s208中，加法装置110将前馈扭矩与扭矩修正值相加产生目标扭矩，扭矩控制器30根据目标扭矩产生相应驱动讯号以控制马达20快速提高转速。例如，通过加法装置110将前馈扭矩导入扭矩修正值，于是相应传递函数变成以下公式(2)所示，从传递函数式(2)可以得知，即使输入信号(目标转速指令)有高频分量时，输出信号(反馈转速)也能准确跟随。
[0061][0062]
其中，k
p
为比例控制参数，ki为积分控制参数，j为马达20的转动惯量，为相应于前馈扭矩的转动惯量，s＝2πf。
[0063]
也就是说，本发明的马达控制装置10在转速误差信号包括高频分量时，由前馈扭矩与扭矩修正值相加产生的目标扭矩能准确跟随转速误差信号，通过目标扭矩所控制的马
达20就可以快速且精确地提高转速。
[0064]
本领域技术人员可以根据本发明的精神加以结合、修饰或变化以上所述的实施例，而不限于此。上述所有的陈述、步骤、和/或流程(包括建议步骤)，可通过硬件、软件、韧体(即硬件装置与计算机指令的组合，硬件装置中的数据为只读软件数据)、电子系统、或上述装置的组合等方式实现。硬件包括模拟、数字及混合电路(即微电路、微芯片或硅芯片)。电子系统包括系统单芯片(system on chip，soc)、系统封装(system in package，sip)、计算机模块(computer on module，com)及马达系统1。本发明的流程步骤与实施例可以程序代码或指令的型态存在而储存于计算机可读取记录媒体中。计算机可读取记录媒体包括只读存储器(read-only memory，rom)、闪存(flash memory)、随机存取内存(random-access memory，ram)、用户识别模块(subscriber identity module，sim)、硬盘、软盘或光盘只读存储器(cd-rom/dvd-rom/bd-rom)，但不以此为限。处理器可用于读取与执行计算机可读取媒体储存的程序代码或指令以实现前述所有的步骤与功能。
[0065]
综上所述，本发明的实施例通过前馈扭矩与扭矩修正值所产生的目标扭矩来控制马达20，即使在转速指令具有高频分量的情况时，马达20实际输出的转速仍能精准达到并跟随原先所需的目标转速。换言之，本发明实施例的马达控制装置10可快速且精确地提高马达转速进而达到响应速度快，控制精准度高的转速控制。
[0066]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。