CN100431257C - 永磁激励的同步电机的减少传感器的调节方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁激励的同步电机的磁场定向的调节方法和装置。从一个确定的横向电流额定值和有关转速的信息中，在使用一个固定的电机模型的情况下，在去耦网络中确定同步电机的控制电压的一个纵向电压分量和一个横向电压分量。这些电压分量转换成同步电机的控制脉冲。根据本发明，调节系统不需要多相交流系统的相电流的信息。

Description

永磁激励的同步电机的减少传感器的调节方法和装置

众所周知，在汽车技术中，永磁激励的同步电机(PM同步电机)作为集成的曲轴起动发电机装入内燃机和变速器之间的汽车传动系中。

这种PM同步电机的调节是在转子磁场定向的坐标系中进行的。图1表示PM同步电机用脉冲逆变器进行磁场定向的电流调节的一个例子。它是根据三相交流系统的相电流的实际值测量并根据测出的实际值计算相对于转子位置的调节电压的纵向和横向分量。其中，横向分量与要求的转矩成比例。

在这种调节时，从PM电机的三相交流系统推导出的相电流ia、ib、ic在一个停车位变换器13中转换成一个直角坐标系的电流Id_ist和Iq_ist。其中，电流Id_ist表示电机的纵向电流的实际值；而电流Iq_ist则表示电机的横向电流的实际值。

纵向电流实际值Id_ist通过一个叠加元件12输入纵向电流调节器1，而横向电流实际值Iq_ist则作为实际值输入一个横向电流调节器2。叠加元件12收到一个反馈信号作为另一个输入信号，这个反馈信号从一个固定的去耦网络5的输出值uq′获得。固定去耦网络5除了满足调节的重要去耦外，还要完成与输出限制器3和4共同工作的任务并用一种防车身纵摇方法在纵向电流调节器1上达到高的转速范围内的磁场减弱，在高转速情况下，PM同步电机的磁场减弱是需要的，否则感应的电机电压就会大于最大的变流器输出电压。后者是通过供电电压即汽车电网电压限制的，在这种磁场减弱运行情况下，变流器在过调状态工作，所以变流器输出电压不再是正弦形的。

一个由纵向电流额定值发生器9产生的额定值信号输入纵向电流调节器1的额定值输入端，而一个由横向电流额定值发生器14产生的额定值信号则输入横向电流调节器2的额定值输入端。横向电流额定值发生器14根据一个蓄电池电压传感器的输出信号产生上述横向电流额定值信号。

在纵向电流调节器1的输出端提供一个纵向电流的调节值Id^*，并在横向电流调节器2的输出端提供一个横向电流的调节值Iq^*。这些调节值输入固定的去耦网络5中，该去耦网络在用上述调节值的情况下确定PM同步电机的调节电压的一个纵向电压分量ud′和一个横向电压分量uq′。

这些调节电压分量ud′和uq′指的是直角坐标系中的调节电压分量并通过输出限制器3或4输入一个逆停车位转换器6中。该转换器的任务是把存在于直角坐标系中的限幅调节电压分量ud和uq转换成三相交流系统的调节电压分量ua、ub和uc。这些调节电压分量在一个脉冲逆变器7中转换成PM同步电机8的控制脉冲。

在固定去耦网络5的输出端输出的调节电压的横向电压分量uq′输入求和器10中，该求和器算出上述横向电压分量的总值|uq′|。

求和器10的输出信号作为阈值开关11的输入信号用。如果总值|uq′|超过预定的阈值，则在阈值开关11的输出端输出0值。如果总值|uq′|低于预定的阈值，则在阈值开关11的输出端输出一个值1。

关于含有一个电机模型的去耦网络的构成的实施例可参见本申请人的专利DE10044181.5。

从DE10023908A1中已知一种确定电机的显极转子位置的方法，这种电机例如是一种具有脉冲逆变器的三相发电机。此外，设置了一个转子绕组、一个带电感的定子和一个布置在两个相线端子之间的电源。在这种方法时，在用开关元件的情况下可分成两相，在这两相中测量相应的相电压变化，相电压的叠加可实现显极转子位置的唯一确定。在公知的方法中，是以列表方式确定电压变化时的转子位置的。

此外，在期刊ETEP 1998年5/6月第8卷、第3期、第157～166页中描述了一种用磁场减弱运行的永磁激励同步电机，这种同步电机的最大速度与基本速度之间存在较大的比例。这是通过定子电流的一个附加的负的D分量来实现的。在公知的同步电机的调节范围内，转子位置的测定是在使用输出信号的情况下由三个霍耳传感器来完成的，其中一个霍耳传感器分别对应相U、V、W之一。

发明内容

通过本发明提出的减少传感器的调节系统而可不需要电流传感器装置或电流测量，只需进行蓄电池实际电压和显极转子角或位置角的测量，并从后者通过按时间的位置信息的微分推导有关转速的信息。

在PM同步电机的发电机运行中，与常规的场定向的调节系统比较，不产生性能影响。

由于PM同步电机可作为曲轴起动发电机使用，且在该处属于大电流使用场合，所以取消电流传感器的必要性是一大优点，因为在大电流使用场合时所需的电流传感装置是特别昂贵的。

附图说明

附图用来示范性地说明本发明。其中：

图1表示一种PM同步电机的常规磁场定向的电流调节框图；

图2表示一种PM同步电机的本发明磁场定向的电流调节第一实施例的框图；

图3表示电流基本振荡频率与转速的关系；

图4表示最大角度偏差与转速的关系；

具体实施方式

图2表示PM同步电机8的本发明磁场定向的电流调节的第一实施例的框图。在这种调节时，不需要从PM电机的多相交流系统推导相电流并用一个停车位转换器转换成一个直角坐标系的纵向电流实际值和横向电流实际值。

图2所示的装置具有一个逻辑单元18，该逻辑单元在其输出端上提供横向电流的一个额定值Iq_soll。此外，逻辑单元18配有多个输入端。逻辑单元18的第一输入端与一个上一级控制器14连接。逻辑单元18的第二个输入端连接在一个蓄电池电压调节器17的输出端上。该电机的转速n的信息输入逻辑单元18的第三个输入端。

蓄电池电压调节器17在输入端一侧与一个蓄电池电压额定值发生器15和一个蓄电池电压传感器16连接。蓄电池电压额定值发生器15例如是上一级的动能管理，并给蓄电池电压调节器17提供蓄电池额定电压U_BS。蓄电池电压传感器16用于测量蓄电池实际电压U_BI。这个蓄电池电压例如在一个未示出的中间电路电容器上分接。

起动过程按下列顺序进行：从上一级控制器14发出一个起动指令，该起动指令含有额定转矩M_soll的信息。在逻辑单元18中从这个额定转矩推导出横向电流额定值Iq_soll。横向电流额定值Iq_soll输入固定的去耦网络19中，该去耦网络含有一个固定的电机模型。在这个去耦网络中，横向电流额定值在考虑转速n和存放的电机模型的情况下转换成调节电压的一个纵向电压分量ud和一个横向电压分量uq。其中，利用了一个考虑了电机参数的存储的表。在这种转换时，对性能产生或多或少的有害影响，视电机模型的精度而定。

从一个例如每分钟500转的预定转速极限值起，转换逻辑18进行一次转换过程，于是，蓄电池电压调节器17的输出信号I_{DC_Soll}作为横向电流额定值Iq_soll传送到去耦网络19。在这个去耦网络中，横向电流额定值在考虑转速n的情况下转换成调节电压的一个纵向电压分量ud和一个横向电压分量uq。在这里也利用一个考虑了电机参数的存储表，电机模型的不精确性通过上一级电压调节来补偿并在电机运行中不导致效率损失。

借助于这个固定的电机模型求出的电压分量ud和uq，这种电压分量指的是直角坐标系中的调节电压分量，并输入一个逆停车位转换器6中，该转换器的任务是把存在于直角坐标系中的调节电压分量ud和uq在考虑由位置传感器24探测的显极转子角γ的情况下转换成三相交流系统的调节电压分量ua、ub和uc。这些调节电压分量传送到一个脉冲逆变器7，该脉冲逆变器在其输出端提供PM同步电机8的控制脉冲。脉冲逆变器7的这个输出端通过一个开关单元23与被控的PM电机8连接。

电压分量ud和uq输入一个计算单元20，该计算单元从这些电压分量中算出转子极轴和额定定子电压空间矢量之间的额定角ε，此角按下式计算：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \frac{\mathrm{ud}}{\mathrm{uq}}$

由于在磁场定向调节时相同值都用一个在整个调节范围内相同的时间常数进行调节，所以计算单元20用与调节一样的相同节拍频率工作。

计算单元20的输出信号输入连锁开关装置21中，该装置直接由显极转子角γ提供节拍脉冲。有关该显极转子角的信息-已如前述-例如用一个位置传感器24来获得。连锁开关装置21用来根据变流器的6个可能的开关状态之一选择控制脉冲，且其输出信号也输入转换逻辑23中。

不用连锁开关装置，也可用一个功能上相当于连锁开关装置的软件程序。

在转换逻辑23中进行这样的转换，即不是在脉冲逆变器7中便是在连锁开关装置21中产生的控制脉冲传送到PM电机8。这种转换是根据转速n在考虑一个可调的开关滞后的情况下进行的，而可调的开关滞后则是用一个磁滞电路来实现的。滞后范围例如在每分钟800和1000转之间。

用这种控制保证了从脉冲逆变器运行无冲击地过渡到闭塞运行，在脉冲逆变器运行中，框7的输出信号通过转换逻辑23传送到PM电机8上，而在闭塞运行中，连锁开关装置21的输出信号则通过转换逻辑23传送到PM电机8。这是由于在整个转速范围使用相同的调节器结构和在转换转速时连锁开关装置21的输出信号等于脉冲逆变器7的输出信号的缘故。其中，脉冲逆变器7的输出信号带有一定的统计角度不精确性或偏差，这个偏差随不断增加的转速而变大，并在高转速范围内导致不希望有的功率波动。

为了避免高转速范围内的这种不希望的功率波动，进行了由脉冲逆变器运行到闭塞运行的上述转换。

在先有技术中，高转速范围内产生的这种功率波动建立在考虑要产生的损失而不允许脉冲逆变器或PWM(脉宽调制)转换器的开关频率选得过大。所以在曲轴起动发电机的使用场合中，用例如8千赫的PWM频率工作。转速和电流基本振荡频率之间的关系用下式表示：

$f=\frac{n}{60}\·p$

所以，对一个转速范围介于每分钟0和6500之间的2·P＝24极的曲轴发电起动电机来说，需要0～1300赫的频率范围。这可从图3表示电流基本振荡频率与转速的关系图中一目了然。此图的横坐标表示转速n，每分钟的转数，纵坐标表示频率f赫兹。

由于整个运行范围在8千赫的PWM频率，所以根据电流基本振荡与脉冲频率的比例得出一个相对于额定电压过零和实际操作电压过零的角度不准确性。这可从图4表示在PWM频率为8千赫时相对于额定电压过零的最大角度偏差与转速的关系图中一目了然。此图的横坐标表示转速n，每分钟的转数，纵坐标表示角度偏差WF的度数。

这种统计的不精确性或这种偏差导致高的转速范围内的不希望有的功率波动。为了避免这种统计的不精确性，按图2所示的实施例进行与转速有关的转换成由PWM运行与转速有关地转换成闭塞运行。另一种办法是，也可通过PWM频率增加到例如90千赫开关频率来避免上述的功率波动。但由于高的开关损失和由于高的变流器费用，这种办法意义不大。

图2所示实施例的其他优点在于，由于计算单元20可用恒定的调节频率工作而与转速无关，所以只存在很小的附加的处理器负荷。而在PWM运行的情况中，在整个调节范围内，PWM频率和逆停车位转换器的频率都随转速增加，从而导致大的处理器负荷的后果。

此外，变流器的开关频率较小，所以变流器的开关损耗较小。

其次，消除了归因于PWM节拍引起的角度不精确性并由此也消除了归因于这种不精确性引起的不希望有的功率波动。角度精确性只取决于位置传感器本身。

Claims (14)

1.一种永磁激励的同步电机的磁场定向调节方法，包括如下的方法步骤：

-确定一个横向电流额定值(Iq_soll)，

-将确定的横向电流额定值和有关转速的信息输入含有一个固定的电机模型的去耦网络中，其中关于转速的信息通过对所测量的显极转子角或者位置角针对时间进行微分而得到，

-在该去耦网络中仅仅根据横向电流额定值、转速信息和固定的电机模型来确定一个纵向电压分量(ud)和一个横向电压分量(uq)，

-将纵向电压分量(ud)和横向电压分量(uq)转换成同步电机的控制脉冲。

2.按权利要求1的方法，其特征为，该横向电流额定值在一个逻辑单元中确定。

3.按权利要求2的方法，其特征为，在该逻辑单元中，根据一个预定的转速极限值如此进行一次转换过程：在转速小于该预定转速极限值的情况下，横向电流额定值(Iq_soll)由上一级的控制器(14)导出。

4.按权利要求3的方法，其特征为，该横向电流额定值从一个由上一级控制器(14)预先给定的额定转矩中导出。

5.按权利要求4的方法，其特征为，该额定转矩即起动转矩。

6.按权利要求3的方法，其特征为，在转速大于预先给定的转速极限值的情况下，横向电流额定值(Iq_soll)由一个蓄电池电压调节器(17)导出。

7.按权利要求6的方法，其特征为，蓄电池电压调节器(17)根据一个由上一级的动能管理提供的蓄电池电压额定值和一个由蓄电池电压传感器提供的蓄电池电压实际值确定该横向电流额定值。

8.永磁激励的同步电机的磁场定向调节装置，具有：

-一个含有一固定的电机模型的去耦网络(19)，该去耦网络具有一个横向电流额定值(Iq_soll)的输入端和一个有关转速信息的输入端，其中关于转速的信息通过对所测量的显极转子角或者位置角针对时间进行微分而得到，且该去耦网络仅仅根据横向电流额定值、转速信息和固定的电机模型来确定一个纵向电压分量(ud)和一个横向电压分量(uq)，

-一个连接在去耦网络(19)上的转换单元(6，7，20，21，23)，用来把已确定的纵向电压分量(ud)和已确定的横向电压分量(uq)转换成同步电机的控制脉冲。

9.按权利要求8的装置，其特征为，该装置含有一个逻辑单元(18)，该逻辑单元具有一个横向电流额定值(Iq_soll)的输出端。

10.按权利要求9的装置，其特征为，逻辑单元(18)具有一个转速信息的输入端并根据一个预先给定的转速极限值如此进行转换过程：在转速小于预先给定的转速极限值的情况下，逻辑单元(18)在其输出端输出一个由上一级控制器(14)导出的横向电流额定值。

11.按权利要求10的装置，其特征为，逻辑单元(18)从一个由上一级控制器(14)导出的额定转矩中导出该横向电流额定值。

12.按权利要求11的装置，其特征为，该额定转矩即起动转矩。

13.按权利要求10至12任一项的装置，其特征为，在转速大于预先给定的转速极限值的情况下，逻辑单元(18)在其输出端输出一个由蓄电池电压调节器(17)提供的横向电流额定值。

14.按权利要求13的装置，其特征为，蓄电池电压调节器(17)具有一个与上一级动能管理(15)连接的蓄电池电压额定值输入端和一个与蓄电池电压传感器(16)连接的蓄电池电压实际值输入端。

Images