具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的示例性实施例的马达驱动控制方法和系统。

图1是示意性地示出根据本发明的实施例的应用马达驱动控制方法和系统的燃料电池系统的示例的框图。

如图1所示，燃料电池系统可以包括：燃料电池堆100，包括接收作为燃料的氢气和作为氧化剂的空气以通过氧化/还原作用产生电力的燃料电池单元；空气压缩机10，向燃料电池堆100的阴极(cathode)供应压缩空气；以及加湿器200，向空气压缩机10的压缩空气供应湿气，并将压缩空气输送到燃料电池堆100。在此，加湿器200接收从燃料电池堆100排出的高湿度的未反应空气，并向供应到燃料电池堆100的空气提供湿气。

如背景技术中所描述的，为了防止在燃料电池堆100中需要高输出时由于燃料电池堆的发热导致氢气干燥，提高供应到燃料电池堆100的空气的压缩比。即，通过以更高的速度运行空气压缩机10来增加空气的流量，以进一步将加湿空气提供给燃料电池堆100，从而避免干燥现象。

为了实现对空气压缩机10的控制，燃料电池系统中可设置用于控制空气压缩机10，更准确地说，用于控制空气压缩机10中包括的马达的控制器20。

在描述本发明的各个实施例中，将控制器20中实现的用于控制燃料电池系统中包括的空气压缩机10的马达的马达控制方法以及包括空气压缩机10和控制器20的马达控制系统作为应用示例。然而，描述的应用示例不限于燃料电池系统的空气压缩机，并且本发明的技术可广泛地应用于燃料电池领域以外的其他技术领域的各种马达的控制。

图2是根据本发明的实施例的马达驱动控制系统的框图。

参照图2，根据本发明的实施例的马达驱动控制系统可以包括速度控制器21、电流控制器23、电压输出转换器25、逆变器27和扭矩开启/关闭判断器29。在图2中，马达与图1的空气压缩机使用相同的附图标记“10”。这是因为本发明的各个实施例是用于控制马达的驱动，特别是，用于控制燃料电池系统中的空气压缩机中包括的马达的驱动，因此，控制空气压缩机可以理解为实质上与控制空气压缩机的马达相同。另外，在整个本说明书中控制空气压缩机可以理解为表示控制空气压缩机的马达。

速度控制器21从上位控制器(host controller)(未示出)接收用于控制马达速度的速度指令，并且基于通过实际检测马达速度而获得的马达速度实测值生成并输出用于驱动马达的驱动电流的电流指令值(Id*、Iq*)。在此，上位控制器可以是用于控制燃料电池系统的控制器或用于控制应用燃料电池系统的车辆的车辆控制器。上位控制器可以基于车速、车辆爬坡角、由驾驶员操作的加速器的开度等来确定燃料电池堆100的输出，并且可以考虑燃料电池堆100的输出和温度来确定马达转速。上位控制器将确定的马达转速作为速度指令值提供给速度控制器21。速度控制器21将接收的速度指令值与对应于马达实际转速的马达速度实测值进行比较，以生成并输出电流指令值(Id*、Iq*)，以使马达转速可以跟随速度指令值。

在此，电流指令值(Id*、Iq*)是用于马达10的驱动电流的指令值。一般来说，在控制马达时，设定马达的目标扭矩并控制马达的驱动电流，以使马达跟随其目标扭矩。由于本发明的实施例应用于控制马达的速度，速度控制器21基于速度实测值和速度指令值来确定速度实测值可以跟随速度指令值的目标扭矩，并且生成对应于目标扭矩的电流指令值，以控制马达跟随目标速度指令值。更具体地，从速度控制器21输出的电流指令值(Id*、Iq*)可以是马达的d轴电流指令值和q轴电流指令值。

速度控制器21可以应用通过对指令值和实测值之间的误差进行积分处理来累积指令值和实测值之间的误差并反映在控制量中的控制技术，诸如比例积分(PI)控制器。即，速度控制器21可以应用对速度指令和马达10的实际速度之间的误差进行积分并进行反映的控制技术。除了PI控制技术以外，速度控制器21可以应用诸如比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)控制、积分比例(Integral Proportional,IP)控制或IP-PI混合控制等技术。

同时，马达10设置有用于检测马达转子的位置的传感器13，例如霍尔传感器或旋转变压器。将通过由传感器13检测马达10的实际转速而获得的速度实测值提供给速度控制器21，从而生成电流指令值。

电流控制器23执行控制以使从逆变器27提供给马达的电流跟随电流指令值(Id*、Iq*)，并输出d轴和q轴电压指令值(Vd*、Vq*)。电流控制器23检测从逆变器27提供给马达10的每个相位的部分或全部电流，并且执行控制以接收转换成d轴电流和q轴电流的驱动电流实测值的反馈，并且使驱动电流实测值跟随电流指令值，即，d轴电流指令值和q轴电流指令值(Id*、Iq*)。

与上述速度控制器21一样，电流控制器23可以使用包括用于累积从逆变器27提供给马达的实际电流与电流指令值(Id*、Iq*)之间的误差的积分处理的控制技术，诸如PI控制、PID控制、IP控制、IP-PI混合控制等。

电压输出转换器25通过坐标转换(DQ<->三相(abc))将d轴电压指令值和q轴电压指令值(Vd*、Vq*)转换成三相电压指令值，并且基于经转换的三相电压指令值生成用于驱动逆变器27中的开关元件的驱动信号并提供给逆变器27。随着驱动信号控制逆变器27中开关元件的开关，逆变器27输出用于驱动马达10的三相电流。

另外，电压输出转换器25可以将反馈给电流控制器23以用于控制的逆变器27的三相驱动电流的实测值再次转换成DQ电流并提供给电流控制器23。

特别地，当判断需要在以预定周期重复产生马达10扭矩的开启区间和不产生马达10扭矩的关闭区间的扭矩开启/关闭模式下控制马达10时，电压输出转换器25可以控制马达10，以重复预设时间间隔的开启区间和关闭区间。可以通过扭矩开启/关闭判断器29执行是否进入扭矩开启/关闭模式。

扭矩开启/关闭判断器29接收提供给速度控制器21的速度指令值或由速度控制器21生成的电流指令值(Id*、Iq*)，并且当速度指令值或电流指令值(Id*、Iq*)在预设范围内时，判断执行扭矩开启/关闭。

当扭矩开启/关闭判断器29判断需要重复执行马达10的扭矩开启/关闭时，可以将扭矩开启/关闭判断器29的判断结果提供给电压输出转换器25和电流控制器23。接收扭矩开启/关闭判断器29的判断结果的电压输出转换器25向逆变器27传输用于控制逆变器27中的开关元件的信号，以使马达10的扭矩开启/关闭。另外，从扭矩开启/关闭判断器29接收指令的电流控制器23使得能够在扭矩关闭区间进行适当的控制。

通过稍后对根据本发明的实施例的马达驱动控制方法的描述，将更清楚地理解马达的扭矩开启/关闭控制。

图3是示出根据本发明的实施例的马达驱动控制方法的流程图。图3所示的实施例涉及当马达的速度指令值或电流指令值在预设范围内时执行马达扭矩开启/关闭控制的示例。应用以预定周期重复产生马达扭矩的开启区间和不产生马达扭矩的关闭区间的扭矩开启/关闭模式的本发明的实施例的特征不限于在图3所示的示例中使用的特定条件，并且可应用于马达驱动，而不论速度指令值或电流指令值的大小。

参照图3，在马达10处于停止状态(S11)的情况下，当向速度控制器21输入非零速度指令值时(S12)，开始用于产生马达扭矩的控制。

当速度指令值输入到速度控制器21时，速度控制器21导出电流指令值(Id*，Iq*)并输出到电流控制器23，电流指令值(Id*，Iq*)用于执行控制。以使马达10的速度实测值跟随速度命令值。电流控制器23导出并输出电压指令值(Vd*、Vq*)，以使对应于直接检测从逆变器27提供给马达10的驱动电流的值的电流实测值跟随电流指令值(Id*、Iq*)。电压输出转换器25将DQ坐标的电压指令值(Vd*、Vq*)转换成三相(u相、v相和w相)电压，并生成用于控制逆变器27中的开关元件的PWM开关信号并输出到逆变器27，以输出每个三相电压。

马达的驱动是通过这样一系列过程来开始的。根据本发明的示例性实施例的马达驱动控制方法在马达10的驱动开始之后，扭矩开启/关闭判断器29监测速度指令值或电流指令值，以判断是否执行扭矩开启/关闭模式(S131、S132)。即，当速度指令值在预设范围内(图3中的大于零且小于A(正数))(S131)或电流指令值在预设范围内(图3中的大于零且小于B(正数)(S132)时，扭矩开启/关闭判断器29可以判断执行扭矩开启/关闭模式。考虑到如背景技术所描述的高速空气压缩机在低速区间或低扭矩区间的效率迅速降低的情况，预设范围对应于效率降低的低速区间或低扭矩区间。然而，根据本发明的另一实施例，可以在马达可被驱动的整个扭矩和速度范围内控制马达扭矩开启/关闭，而不考虑上述范围。

当扭矩开启/关闭判断器29判断需要执行扭矩开启/关闭模式时，扭矩开启/关闭判断器29可指示输出用于控制逆变器27中包括的开关元件的接通/断开(on/off)的驱动信号的电压输出转换器25以执行扭矩开启/关闭模式，并且电压输出转换器25可根据该指示控制逆变器27中的开关元件(S14)。

图4是示出根据本发明的实施例的应用于马达驱动控制方法的马达扭矩开启/关闭控制状态的曲线图。

如图4所示，根据本发明的实施例，在图3的步骤S14中，可执行以预定周期重复产生马达扭矩的开启区间D1和不产生马达扭矩的关闭区间D2的扭矩开启/关闭模式。可预先通过实验方法将开启区间D1的时间间隔、关闭区间D2的时间间隔以及重复开启区间D1和关闭区间D2的周期确定为针对每个马达速度逆变器的功耗最小并且可以确保运行稳定性的值。

这种扭矩开启/关闭模式优选应用于即使由于影响马达10的负载较小而马达10被惯性驱动速度变化也不大的情况。当马达10的负载较大时，由于减速主要在扭矩关闭的区间产生，因此由于扭矩开启/关闭重复而导致的马达速度的加速/减速大，从而可能会发生不必要的能量损失。因此，当马达负载较大时，扭矩开启/关闭重复控制的有效性显著降低。特别地，当由于扭矩开启/关闭控制而导致的马达速度的加速量/减速量超过预定水平时，存在马达10的功耗增加的问题。

另外，随着马达10的转动惯量增加，开启/关闭控制对马达扭矩的影响可能增加。即，当马达10的转动惯量较大时，即使在扭矩关闭区间，速度波动也较小，从而可提高扭矩开启/关闭控制的效率。

根据本发明的实施例，作为马达扭矩开启/关闭重复控制的具体技术，可以在产生马达扭矩的开启区间D1通过脉冲宽度调制方式仅对马达10的多个相位中的一个相位施加相电压的技术。当在开启区间D1仅对马达的一个相位施加相电压而不是对多个相位施加相电压时，可以相对地减少逆变器27中开关元件的开关频率。相反的，由于仅使用一个相位来驱动马达，因此优选执行控制以使在相应相位中产生最大扭矩。

图5是更详细地示出根据本发明的实施例的马达驱动控制方法中执行扭矩开启/关闭模式的步骤的流程图。图6是示出根据本发明的实施例的马达驱动控制方法和系统中应用的马达扭矩开启区间和马达扭矩关闭区间中的每个相位的状态的示图。另外，图7是示出根据本发明的实施例的马达驱动控制方法和系统中应用的马达扭矩开启区间的马达的旋转坐标系中的q轴与通过脉冲宽度调制方式施加相电压的三个相位轴中的一个相位轴之间的关系的曲线图。

参照图5至图7，将更清楚地理解根据本发明的实施例的马达驱动控制方法的扭矩开启/关闭模式。

参照图5，以扭矩开启/关闭模式控制马达的步骤(图3的S14)包括：确定马达10的多个相位(u相、v相和w相)中作为在开启区间D1要施加相电压的一个相位的目标相位的步骤(S141)；确定马达的旋转坐标系中的q轴是否接近固定坐标系中对应于目标相位的轴的步骤(S142)；当确定马达的旋转坐标系中的q轴接近固定坐标系中对应于目标相位的轴达到预定角度时，在对应于预设开启区间D1的时间Δt内，通过脉冲宽度调制方式仅对目标相位施加相电压的步骤(S143)；以及在经过时间Δt后进入关闭区间D2的步骤(S145)。

一般来说，在执行用于控制马达的空间矢量脉冲宽度调制控制时，在马达的旋转坐标系中，q轴是产生最大扭矩的点，d轴是不产生扭矩的点。利用这样的马达特性，如图6所示，在步骤S143中，当马达的旋转坐标系中的q轴接近固定坐标系中对应于从u相、v相和w相中选择的一个相位的目标相位(图6中的u相)的轴时设置产生马达扭矩的开启区间D1，并且在开启区间D1对所选择的一个相位执行脉冲宽度调制控制，从而可以在所选择的一个相位上产生最大扭矩。

在这种情况下，除了所选择的一个相位以外的其余相位可以被控制为始终开启或始终关闭。

即，如图7所示，开启区间D1的开始时间点可以是旋转坐标系中的q轴旋转以接近所选择的固定坐标系中对应于从三个相位中选择的一个相位的轴达预定角度的时间点，并且开启区间D1的结束时间点可以是旋转坐标系中的q轴旋转并穿过固定坐标系中对应于从三个相位中的一个相位的轴而偏离达预定角度的时间点。因此，开启区间D1的起点和终点可以被分别确定在马达10旋转坐标系中的q轴与固定坐标系中对应于目标相位的轴相交的时间点的前后。

如上所述，根据本发明的实施例，仅对一个目标相位执行根据预定脉冲宽度调制占空比的逆变器的开关控制，以在开启区间产生与一个相位相对应的相电压，并且不对其余相位执行开关控制，从而防止逆变器开关损耗、导通损耗和电流纹波损耗。即，与在开启区间D1对马达的多个相位全部执行开关控制的方法相比，根据本发明的实施例的效率可显著提高。另外，由于目标相位的开关控制时间点被控制为使得马达的目标相位的轴与马达的旋转坐标系中的q轴同步，因此可以产生能够被实施为目标相位的最大扭矩，从而防止速度跟随性能的降低。

再次参照图3，在马达扭矩设置为关闭的区间，逆变器27中包括的开关元件全部断开(off)(100％关闭占空比)，以阻断提供给马达的驱动电流。即，在马达扭矩保持关闭的区间，电压输出转换器25可以向逆变器27输出用于断开所有开关元件的控制信号。

提供用于驱动三相马达的扭矩(驱动电流)的逆变器27通常使用六个开关元件(例如IGBT等)实现三相开关全桥电路。电流控制器23将电流指令值与测量的马达驱动电流进行比较，并输出可以减小其误差的电压指令值(DQ坐标)。电压输出转换器25将电压指令值转换成三相电压，并确定开关元件的占空比，以使经转换的三相电压可以施加到马达10，从而对每个相位的开关元件执行接通/断开控制。

在根据本发明的实施例的马达驱动控制方法中，扭矩开启/关闭控制以预定周期重复开启区间和关闭区间。在此，在扭矩开启区间，控制逆变器开关元件，以将相电压施加到如上所述的马达的多个相位中的一个相位，并且在扭矩关闭区间，逆变器开关元件全部被断开，从而执行扭矩开启/关闭模式。

作为在扭矩关闭区间D2控制逆变器27的开关元件的另一种方法，可以应用对逆变器27中的每个相位的开关元件执行开启/关闭控制的方法，以产生具有基本等于在马达10中产生的反电动势的电压大小的驱动电压。当马达10的反电动势与逆变器27的三相驱动电压相同时，不会出现电位差，因此可能会出现从逆变器27没有提供电流给马达10的零电流控制状态，即，不产生马达扭矩的状态。

当执行马达扭矩开启/关闭控制，即扭矩开启/关闭模式时(S14)，在马达扭矩关闭区间(S15)，优选停止由电流控制器23执行的积分控制(S161)。当电流控制器23允许在马达扭矩关闭区间对指令值和实测值之间的误差进行积分时，在扭矩再次开启时的时间点处由于积分误差导致从每个控制器施加较大的输出，从而导致系统不稳定，由于速度指令值和电流指令值的变化，会严重阻碍扭矩开启/关闭控制的效果。当然，在马达扭矩开启区间(S15)，优选由电流控制器23执行积分控制(S162)。

作为另一个示例，代替在马达扭矩关闭区间停止电流控制器23的积分控制的方法，可以应用当速度控制器21将马达扭矩从开启改变为关闭时，在马达扭矩关闭区间停止整个控制操作并将电流指令值输出为零的方法。即，通过使速度控制器21将电流指令输出为零来阻断三相输出，以使在不产生扭矩和输出的扭矩关闭区间，电流控制器23中由于电流指令值和测量电流之间的误差导致的积分被中断。因此，可防止马达扭矩再次开启时的时间点由于累积误差而产生过大的输出。当然，当马达扭矩从关闭状态该变为开启状态时，可恢复正常的速度控制器操作。由于在马达扭矩关闭区间期间，速度控制器21的操作被停止，所以当马达扭矩再次开启时，速度控制器21的输出保持在马达扭矩刚被关闭之前的输出值，从而确保速度控制的稳定性，而不需要不必要的加速和减速。

同时，当马达速度超出预设范围或从电流控制器23输出的电流指令超出预设范围时，扭矩开启/关闭判断器29启用典型的控制方法，在该方法中根据电流指令值来确定逆变器27的三相驱动电流，而不执行扭矩开启/关闭模式(S17)。如上所述，当马达10的速度等于或高于预设速度时，马达侧的负载扭矩增加(例如，在燃料电池系统中，当速度增加时，空气压缩机由于流量和压力增加而使负载扭矩增加)，因此在马达10的扭矩关闭区间产生的减速量应在扭矩开启区间得到补偿，从而产生不必要的加速量和减速量，所产生的损耗超过了由扭矩开启/关闭控制减少的开关损耗和三相电流纹波损耗。当电流指令值等于或高于预设值时，可将其视为快速加速区间或高速旋转状态，因此，与典型的连续扭矩施加方法相比，马达扭矩开启/关闭重复控制方法的效率更低。

作为上述电流指令超出预设范围的情况中的一种情况，可能存在向马达施加再生制动扭矩的情况。当执行再生制动时，扭矩施加到与旋转方向相反的方向上，这被视为扭矩为负的状态。因此，可视为在电流指令值超出图3的步骤S132中大于0且小于B(正数)的范围。即使在马达减速以执行再生制动的情况下，也优选停止马达扭矩开启/关闭控制。这是因为在再生制动状态下，通过连续马达扭矩控制回收能量在效率方面是有利的。

如上所述，根据本发明的各个实施例的马达驱动控制方法和系统可通过减少马达的功耗来提高应用马达的系统的效率。特别地，在包括应用马达的空气压缩机的燃料电池车辆中，通过由空气压缩机减少功耗，可以提高燃料电池系统的效率和车辆的燃料效率。

另外，根据本发明的各个实施例的马达驱动控制方法和系统不会由于添加单独的硬件而产生成本，并且可以通过在特定速度区间或特定扭矩区间执行马达扭矩开启/关闭控制来容易地减少马达的功耗。

特别地，在根据本发明的各个实施例的马达驱动控制方法和系统中，当执行马达扭矩开启/关闭控制时，通过在产生马达扭矩的区间仅使用马达的多个相位中的一个相位来在相应相位中获得最大扭矩，从而能够确保减少逆变器的开关损耗和电流纹波损耗，并显著提高效率。

另外，根据马达驱动控制方法和系统，不仅可以提高马达在恒定速度驱动状态下的效率，而且可以提供马达在加速/减速驱动状态下的效率。

虽然已经关于特定实施例示出和描述了本发明，但是对本领域的技术人员显而易见的是，本发明可以在不脱离由所附权利要求书提供的本发明的思想的情况下进行各种修改和改变。