一种用于控制电动机的方法和装置与流程
一种用于控制电动机的方法和装置
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2021年7月15日提交的意大利专利申请号102021000018689的优先权，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
3.本发明涉及用于控制电动机(特别是驱动车辆的电动机)的方法和装置。
背景技术：
4.根据现有技术，驱动电动或混合动力车辆的电动机可以由通过静态转换器设置的电源电压供电。
5.在这种情况下，电动机具有机械特性，即电动机的转矩和速度之间的关系，其取决于电源电压。
6.通常，可以方便地通过扭矩-速度图中的曲线来表示机械特性。
7.一般来说，由曲线和图中的轴界定的区域限定了电动机的可控性区域，其中电机正确地响应于控制信号。
8.电动机可以以基于转矩的方式被控制，即根据追求由电动机传递的转矩的目标信号的控制规律。
9.在这种情况下，根据车辆驾驶员的请求来确定目标信号，例如通过操作车辆的加速踏板来表示目标信号。
10.在一些操作条件下，基于车辆和电动机的瞬时状态，驾驶员可以表达超过电动机的可控性区域的请求。
11.这显然导致不利的状况，因为电动机必须以基本上不可控制的方式操作。
12.因此，通常，需要尽可能避免上述不利状况。
13.本发明的目的是满足上述需要。
技术实现要素：
14.上述目的通过如所附权利要求中所请求保护的用于控制电动机的方法和装置来实现。
15.从属权利要求限定了本发明的特定实施方式。
附图说明
16.在下文中，将通过非限制性示例并参考附图来描述本发明的实施方式，以允许更好地理解本发明，其中：
17.图1示出了根据本发明的实施方式的包括电动机和用于控制电动机的装置的车辆；
18.图2是表示由电动机传递的转矩与表示电动机的可控性极限的电动机的速度参数
之间的函数关系的函数图；
19.图3是表示电动机的电源电压和图2中的速度参数之间的另一函数关系的函数图；
20.图4是示出根据本发明的另一实施方式的用于控制电动机的方法的步骤的框图；
21.图5是示出以相同的时间间隔比较的两个时间信号的图，其中，信号分别指示电动机的实际输出速度和根据所述方法预测的电动机的输出速度；
22.图6是以图5中的时间间隔表示可以通过所述方法获得的电动机的两个可能的目标转矩信号的图；
23.图7类似于图5并且表示另一信号，该另一信号指示根据所述方法预测的电动机的另一输出速度；以及
24.图8以图6中的时间间隔表示可以通过所述方法获得的电动机的两个可能的目标转矩信号。
具体实施方式
25.在图1中，附图标记1用于表示车辆作为一个整体。
26.车辆1特别地包括两对车轮4和电动机2，电动机2联接到两对车轮4中的至少一个以用于驱动车辆1。因此，电动机2是驱动车辆1的电动机。
27.此外，车辆1包括配置成控制电动机2的装置3。装置3包括至少一个控制单元ecu，该控制单元ecu被配置为致动用于控制电动机2的过程。
28.控制单元ecu提供或存储将第一量t和第二量v
dc
与电动机2的速度参数ω
lim
相关联的函数关系。
29.第一量t表示由电动机2传递的转矩，第二量v
dc
表示电动机2的电源电压。例如，量v
dc
可以指示直流电压，特别是通过功率转换器、更特别是静态转换器可调节的直流电压。换句话说，电动机2可以包括功率转换器以调节电动机2的电源电压。
30.参数ω
lim
对应于电动机2的极限输出速度。
31.更确切地说，参数ω
lim
表示电动机2的可控性极限，这意味着在与该极限相关联的量t、v
dc
的值处超过对应于该极限的输出速度导致电动机2在基本上不可控性的条件下运行。
32.更详细地，函数关系包括分别在参数ω
lim
和量t、v
dc
之间的两个另外的函数关系。更确切地说，两个另外的函数关系的组成定义了由控制单元ecu提供或存储的函数关系。
33.每个函数关系可以通过表格、图表、方程等或以任何其它合适的形式来表达。
34.反过来，取决于量v
dc
，参数ω
lim
和量t之间的函数关系定义了通常已知的电动机2的机械特性。例如，图2示出了对于量v
dc
的特定值的电动机2的机械特性。
35.图2的机械特性包括根据参数ω
lim
、直到临界阈值ωc的量t的恒定段，从该恒定段开始，其包括减小到零的段，具体地以线性方式。
36.在某些情况下，递减段可以具有非常尖锐的倾斜，使得递减段可以忽略，即省略。在这种情况下，认为机械特性完全由其恒定段限定。恒定段将临界阈值ωc与量t的任何值相关联。
37.因此，参数ω
lim
相对于量t是恒定的，特别是恒定地等于临界阈值ωc，或者其随着量t减小而增大，特别是从临界阈值ωc增大到与量t的零值相关联的逃逸值ωf。
38.显然，当省略递减段时，出现上述第一种情况；否则，出现最后一种情况。
39.在第一种情况下，参数ω
li
m，即在这种特定情况下，临界阈值ωc实际上取决于唯一量v
dc
。在最后一种情况下，参数ω
lim
将取决于两个量t、v
dc
。特别地，临界阈值和逃逸值ωc、ωf都将取决于量v
dc
，并且更特别地将随该着量而增加。
40.更一般地，基于电动机2的类型，机械特性可以不同于图2所示的机械特性。事实上，图2对于直流电动机是典型的。例如，可以缺少恒定段，从而机械特性将由递减段限定，例如以线性或非线性方式递减。替选地，机械特性可以是钟形的或具有本领域技术人员已知的任何形状。
41.因此，机械特性可以由类似于图2的曲线图中的曲线来表示，其轴表示量t、v
dc
。曲线所对应的区域，即由曲线和轴所限定的区域，表示电动机2的可控性区域，即电动机2的可控性状态，在该状态中电动机2是可控制的。剩余区域表示电动机2的不可控性区域，即电动机2的不可控制状态。
42.参数ω
lim
与量v
dc
之间的函数关系意味着参数ω
lim
随着量v
dc
的增大而增大，特别是以线性方式增大。
43.具体地，图3示出了根据量v
dc
的临界阈值ωc。假设机械特性由恒定段定义，对于量v
dc
的特定值在特定临界阈值下的图3的区域对应于电动机2的可控性区域。另一方面，图3中同一临界阈值上方的区域对应于电动机2的非可控性区域。
44.到目前为止，描述涉及量t，、v
dc
和参数ω
lim
的绝对值。然而，根据自适应考虑，量t，、v
dc
和参数ω
lim
也可以用其自身的符号来考虑，这对于本领域技术人员来说是明显的方式。
45.控制单元ecu被配置为根据采样时间，例如恒定采样时间，特别是1ms量级的采样时间，对获取的或接收的信号进行采样。
46.控制单元ecu还被配置成特别根据采样时间来发射例如用于电动机2的控制信号。
47.更详细地，控制单元ecu发射量t、v
dc
的控制信号。特别地，量t由控制单元ecu根据控制规律例如以闭环方式控制，如下文更详细地解释。例如，量t的控制信号可以是控制信号。
48.因此，控制单元ecu被配置为参考当前时刻t确定相对量t、v
dc
的一对值t(t)、v
dc
(t)。特别地，控制单元ecu从发射的控制信号中提取值t(t)、v
dc
(t)。
49.替选地或另外，装置3包括换能器s1、s2，换能器s1、s2被配置为分别检测量t、v
dc
或指示所述量的另外的量，以及生成与所检测的量相关联的相应信号。例如，换能器s1检测表示电动机2的输出加速度的量a。显然，除非惯性因素(例如，由控制单元ecu存储或提供)，加速度指示由电动机2传递的扭矩。换句话说，量a指示量t。因此，量t可以从量a导出或者可以从换能器s1产生的信号提取。
50.控制单元ecu联接到换能器s1、s2并且被配置为获取从换能器s1、s2产生的信号。因此，控制单元ecu能够从来自换能器s1、s2的获取信号中确定或提取值t(t)、v
dc
(t)。
51.换能器s1、s2应当被认为是彼此独立地描述的，使得每个换能器s1、s2可以独立地存在或不存在。
52.一旦控制单元ecu已经确定了值t(t)、v
dc
(t)，控制单元ecu就被配置为根据提供的
或存储的函数关系确定与值t(t)、v
dc
(t)相对应的参数ω
lim
的值ω
lim
(t)。
53.此外，控制单元ecu被配置为确定与参数ω
lim
相当并且指示电动机2的输出速度的量蠅的值ω(t)，该值参考当前时刻t。为清楚起见，术语“相当”可指具有相同的测量单位和/或相对于彼此可扣减的单位。
54.例如，装置3可以包括换能器s3，换能器s3被配置为检测量蠅并生成相关联的信号。在这种情况下，控制单元ecu将联接到换能器s3并且被配置为获取从换能器s3产生的信号并且从换能器s3提取值ω(t)。
55.替选地或另外，控制单元ecu有利地被配置成从由换能器s1产生并由控制单元ecu获取的信号开始预测量蠅的值ω(t+k)。
56.表达式t+k指示未来时刻；具体地，参数k可指示一个或更多个时间样本。更确切地说，在时刻t、t+k之间经过的时间间隔(其具有对应于参数k的持续时间)持续至少采样时间的三倍(即，至少三个时间采样)，优选地持续至少采样时间的五倍。具体地，参数k值为5ms。
57.因此，预测值ω(t+k)可以分配给值ω(t)，基本上将未来测量推进到当前时刻t。
58.更具体地，值ω(t+k)的预测基于一阶常微分方程的解，特别是数值解。所述微分方程具有必须确定的未知函数以及已知项。未知函数对应于量蠅；可以从在当前时刻t获取的信号开始提取已知项。
59.为了清楚起见，微分方程的数值解在这里具体对应于有限差分方程的解。因此，这里必须以广泛的含义解释表达“微分方程”，其涵盖连续时域中的实际微分方程和离散时域中的有限差分方程两者。
60.特别地，通过显式方法，例如正欧拉方法，对微分方程进行数值求解。
61.因此，以下方程适用：
62.ω(t+k)＝ω(t)+ka(t)
63.其中，a(t)表示在当前时刻t由换能器s1检测到的量a的值。控制单元ecu可以从来自换能器s1的获取信号开始提取值a(t)。
64.优选地，可以在提取值a(t)之前或者无论如何在预测值ω(t+k)之前，对来自换能器s1的获取信号进行由控制单元ecu执行的过滤步骤。过滤通过例如已知类型的一个或更多个合适的过滤器进行。
65.上述方程中的值ω(t)可以由控制单元ecu从来自换能器s3的获取信号中提取，但是这不是限制性的。事实上，值ω(t)可以由控制单元ecu通过从初始条件ω(0)等于零或任何其它已知值开始求解微分方程来不断地更新。
66.在预测结束时，通过控制单元ecu的分配，值ω(t)取预测值ω(t+k)。
67.一旦控制单元ecu已经确定了值ω(t)、)、ω
lim
(t)，控制单元ecu被配置为确定表示值ω(t)、ω
lim
(t)之间的差的量δω的值δω(t)。
68.这里，术语“差”必须以广泛的方式解释；例如，量δω是量蠅、ω
lim
之间的实际相减，但它们之间的比率也适合于指示它们的差。此外，量蠅、ω
lim
的标准偏差、量蠅、ω
lim
的模之间的差等适合于指示它们的差。更一般地，术语“差(difference)”可以解释为量蠅、ω
lim
之间的差或多样性或偏差或不等式的一般概念。
69.图4示意性地示出了分别用附图标记101、102、103确定值ω(t)、ω
lim
(t)、δω(t)所执行的步骤。
70.控制单元ecu被配置为根据值δω(t)确定用于量t的目标值t
tgt
(t)，特别是使得量δω指示模量差的增加，即使得量ω偏离量ω
lim
，即，以便使得电动机2的输出速度偏离可控性极限。目标值t
tgt
(t)与当前时刻t相关联或相关。
71.控制单元ecu被配置为根据所确定的目标值t
tgt
(t)来控制电动机2。更确切地，如上所述，控制单元ecu以闭环方式控制电动机2。因此，目标值t
tgt
(t)与例如从来自换能器s1的获取信号开始提取的量t的反馈值t
fb
(t)进行比较。该比较导致误差，例如pid类型的控制规律基于该误差来确定量t的控制信号。另外，基于目标值t
tgt
(t)的开环控制也是可能的。
72.更详细地，确定目标值t
tgt
(t)作为基值tb(t)的校正的结果，所述基值特别代表车辆1的驾驶员关于由电动机2传递的扭矩的请求。例如，车辆1包括加速器设备，特别是踏板(在此未示出)，其可由驾驶员操作以表达对由电动机2传递的扭矩的请求。控制单元ecu联接到加速器设备，并且被配置为通过加速器设备自身提取与驾驶员表达的请求相关联的信息项。通过这样做，控制单元ecu根据提取的信息项来确定基值tb(t)。由图4中的附图标记104指示基值tb(t)的确定。
73.更确切地，尽管不是必须的，并不总是执行校正，而是至少在值δω(t)满足给定条件时执行。当执行校正时，校正可以基于值δω(t)，但是这不是必须的情况。例如，条件可以是完全任意的，即使其是预定的或建立的。
74.为了清楚起见，术语“校正”应当被解释为基值tb(t)的变化，例如通过数学运算。
75.具体地，可以通过将增益g(t)乘以基值tb(t)来进行校正，如图4所示。图4的框105、106分别表示根据δω(t)确定增益g(t)以及将增益g(t)乘以基值tb(t)的运算。
76.替选地，可以通过在基值tb(t)上代数地添加求和参数来进行校正；在这种情况下，仍然可以根据值δω(t)来确定求和参数，但是不是必须的。
77.一般而言，校正可以包括通过数学算子将数字校正因子(例如，增益g(t)或求和参数)应用于基值tb(t)。可以由控制单元ecu根据值δω(t).来确定校正系数。
78.特别地，校正减小了基值tb(t)的模量。
79.更具体地，基值tb(t)的模量随着δω的值的减小而减小，例如以比例的方式减小。
80.否则，可以通过向目标值t
tgt
(t)分配任意值来进行基值tb(t)的模的减小，或者更一般地，校正可以进行，所述任意值例如等于零或者相对于基值tb(t)中的一个具有相反符号或小于阈值的值。具有相反符号的值可以根据值δω(t)或与其独立地进行分配。
81.例如，任意值可以足够低以确保δω(t)的模量变为或大于阈值。
82.换句话说，例如当值δω(t)满足所述条件时，通过分配任意值来确定目标值t
tgt
(t)。
83.例如，乘法增益g(t)可以是系数，例如正的且小于或等于1，或者小于或等于1，没有符号限制，或者优选地范围从-1到1，特别是在包括的极值的情况下。
84.另外，例如，系数可以随着值δω(t)的减小而减小，例如以成比例的方式减小。否则，系数可以取特定值，最好与值δω(t)无关；例如，系数可以为零或也取负值，如果必要，甚至小于-1。
85.优选地，当值δω(t)指示值ω(t)、ω
lim
(t)之间的差满足与阈值的预定关系时，满足上述条件。
86.例如，当值δω(t)表示值ω(t)、ω
lim
(t)之间的相减等于零阈值或者值ω(t)减去值ω
lim
(t)的模量小于非零阈值时，满足该条件。
87.换句话说，这意味着达到或超过电动机2的可控性极限。因此，恢复电动机2的可控性的快速干预是适当的。
88.在这种情况下，根据第一示例，目标值t
tgt
(t)被确定为等于零，而与值δω(t)无关。否则，根据第二示例，目标值t
tgt
(t)被确定为等于相对于基值tb(t)之一具有相反符号的值，在这种情况下，存在目标扭矩反转策略。
89.根据另选示例，当值δω(t)指示值ω(t)、ω
lim
(t)之间的相减或差具有小于非零阈值的模量时，满足上述条件。
90.换句话说，这意味着值ω(t)、ω
lim
(t)之间的差或距离相对较小。即，值ω(t)接近值ω
lim
(t)。
91.当不满足条件时，即值ω(t)相对远离值ω
lim
，则不应用校正。因此，更具体地，目标值t
tgt
(t)与基值tb(t)一致，具体地根据驾驶员的扭矩请求。
92.具体地，校正的乘法增益g(t)是当不满足条件时的增益。
93.图5是控制单元ecu在时间间隔内获取和预测的量ω之间的比较示例。图5的横坐标表示时间，而纵坐标表示量ω。在图5中，曲线200表示获取的量ω，曲线201表示预测量ω。如图5所示，预测的精度是令人满意的。此外，在图5中，线203表示特定值的常数参数ω
lim
。参数ω
lim
的常数值用正号和负号表示。实际上，特定值对应于常数值的模量。因此，如上所述，常数值可以具有两个符号。
94.图6示出了针对图5的整个时间间隔确定目标值t
tgt
(t)的结果，其中考虑了用于确定量ω的曲线200和曲线201。
95.这里，根据上述具体的第一示例进行确定：当满足条件时，即当达到或超过电动机2的可控性极限时，目标值t
tgt
(t)被设置为等于零。该条件由曲线200或201与线203之一之间的交点表示。
96.更确切地，图6中的曲线300表示当所确定的量ω对应于曲线200时，即当时间间隔的所有当前时刻t的值ω(t)通过采集而没有预测地确定时，由电动机2传递的扭矩的目标信号。另一方面，图6中的曲线301对应于曲线201表示将由电动机2传递的转矩的另一目标信号，即，当时间间隔的所有当前时刻t的值ω(t)通过预测被确定时。实际上，图6的曲线302表示对应于驾驶员请求的目标转矩信号，即其表示从未应用前述校正的情况。
97.曲线300、301示出了如何相对于曲线300预先对曲线301进行校正，从而揭示了预测的有效性。
98.此外，图5、图6示出了量ω的符号如何影响校正。实际上，对于负值ω(t)，校正导致相应目标值t
tgt
(t)相对于相应基值的增加。另一方面，对于负值ω(t)，校正导致相应目标值t
tgt
(t)相对于相应基值tb(t)的增加。无论如何，清楚的是，在任何情况下，当校正介入时，目标值t
tgt
(t)的模数相对于对应的基值减小。
99.当通过乘法增益g(t)进行校正时，量ω的符号的方面变得与校正的目的无关。否则，当通过求和参数进行校正时，求和参数必须使得对于负值ω(t)相对于基值tb(t)增大目标值t
tgt
(t)，或者使得对于正值ω(t)相对于基值tb(t)减小目标值t
tgt
(t)。
100.图7基本上类似于图5，但是图7示出了电动机2的不同操作状态。在图7中，曲线400表示预测量ω。此外，线401表示特定值的恒定参数ω
lim
。
101.图8示出了针对图7的整个时间间隔确定目标值t
tgt
(t)的结果，其中考虑了用于确定量ω的曲线400。图8的结果涉及分别根据上述特定的第一示例和第二示例的彼此比较的两个不同的确定。对于第二示例，当满足条件时，即当达到或超过电动机2的可控性极限时，目标值t
tgt
(t)被设定为等于相对于基值tb(t)的符号相反的值。同样，该条件由曲线400和线401之间的交点表示。
102.更准确地，图8中的曲线500、501分别表示根据第一示例和第二示例确定的将由电动机2传递的转矩的目标信号。图8的曲线502表示对应于驾驶员请求的目标转矩信号，即其表示从未应用校正的情况。
103.控制单元ecu执行用于控制由电源电压供电的电动机2的处理。
104.该方法至少包括以下步骤：
105.a)提供一种函数关系，该函数关系将分别表示由电动机2递送的转矩和电源电压的量t、v
dc
与表示电动机2的可控性极限的电动机2的速度参数ω
lim
相关联，
106.b)确定与当前时刻t相关联的值t(t)、v
dc
(t)，
107.c)确定与当前时刻t相关联的量ω的值ω(t)，其中，该量ω与速度参数ω
lim
相当并且指示电动机2的输出速度，
108.d)通过该函数方程确定对应于这些值t(t)、v
dc
(t)的速度参数ω
lim
的值ω
lim
(t)，
109.e)确定指示值ω
lim
(t)与值ω(t)之间的差的量δω的值δω(t)，
110.f)根据值δω(t)确定与当前时刻t相关联的量t的目标值t
tgt
(t)，以及
111.g)根据所确定的目标值t
tgt
(t)来控制电动机2。
112.由于上述原因，根据本发明的装置3和方法的优点是明显的。
113.装置3和方法基本上避免了电动机2的不受控操作。实际上，当电动机2的输出速度接近可控性极限时，控制单元ecu强制减小由电动机2传递的转矩。
114.此外，量ω的预测允许推进强制减小；通过这样做，显著降低了电动机不可控性的风险。
115.最后，根据本发明的本发明的装置3和方法进行改变和变型，但是这些改变和变型并不超出所附权利要求中提出的保护范围。
技术特征：
1.一种用于控制供应有电压的电动机(2)的方法，该方法包括以下步骤：a)提供一种函数关系，该函数关系将分别表示由电动机(2)递送的转矩和所述电压的第一量(t)和第二量(v
dc
)与表示电动机(2)的可控性极限的电动机(2)的速度参数ω
lim
)相关联，b)确定与当前时刻(t)相关联的所述第一量(t)和所述第二量(v
dc
)的一对值，c)确定(101)与所述当前时刻(t)相关联的第三量(ω)的值，其中，所述第三量(ω)表示所述电动机(2)的输出速度，d)通过所述函数关系，确定(102)对应于所述一对值的速度参数(ω
lim
)的值，e)确定(103)第四量(δω)的值，所述第四量(δω)的值指示所述速度参数(ω
lim
)的值与所述第三量(ω)的值之间的差，f)根据所述第四量(δω)的值，来确定(104)与所述当前时刻(t)相关联的第一量(t)的目标值(t
tgt
)，以及g)根据所确定的目标值(t
tgt
)来控制所述电动机(2)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述第四量(δω)的值满足条件时，所述目标值(t
tgt
)被确定为等于一个任意值，例如零。3.根据权利要求1所述的方法，其中，至少当所述第四量(δω)的值满足条件时，作为与所述当前时刻(t)相关联的基值(t
b
)的校正的结果来确定所述目标值(t
tgt
)；其中，所述基值(t
b
)对应于所述电动机(2)的扭矩请求。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述目标值(t
tgt
)被确定为相对于所述基值(t
b
)的符号具有相反符号的值。5.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述第四量(δω)的值指示所述差具有小于非零阈值的模数时，满足所述条件。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校正减小所述基值(t
b
))的模数。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤c)包括：h)获取所述第三量的检测到的信号，i)从所获取的信号中提取所述第三量的值。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤c)包括以下步骤：j)获取指示所述电动机(2)的输出加速度的第五量(a)的检测到的信号，k)根据针对未来时刻所获取的信号，预测所述第三量的另一个值，l)将所述第三量的预测的另一个值分配给与所述当前时刻(t)相关的所述第三量的值。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述步骤k)包括以下步骤：求解一阶常微分方程，所述一阶常微分方程包括：对应于所述第三量的未知函数、以及从所获取的信号开始提取的已知项，所述所获取的信号与所述当前时刻(t)相关联。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述当前时刻(t)与所述未来时刻之间的间隔具有：等于或大于所述获取信号的采样时间的三倍，优选地等于或大于所述采样时间的五倍的持续时间。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度参数(ω
lim
)根据所述函数关系随所述第二量(v
dc
)增加。12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度参数(ω
lim
)随着所述第一量(t)减小而增大或保持恒定。13.一种用于控制电动机(2)的装置(3)，所述装置包括控制单元(ecu)，所述控制单元(ecu)被编程以实施根据权利要求1所述的方法。14.一种车辆(1)，所述车辆(1)包括根据权利要求13所述的电动机(2)和装置(3)。
技术总结
一种用于控制电动机(2)的方法和装置，该方法包括以下步骤：提供一种函数关系，该函数关系将分别表示由所述电动机(2)递送的转矩和电源电压的第一量(T)和第二量(V
