CN101207362A

CN101207362A - 永磁电机磁路结构与矢量控制相结合的可控弱磁技术

Info

Publication number: CN101207362A
Application number: CNA2006101304014A
Authority: CN
Inventors: 陈伟农; 季小尹; 曲国杰; 杨德荣
Original assignee: TIANJIN AEROSPACE XINMAO RARE-EARTH MECHANICAL AND ELECTRICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TIANJIN AEROSPACE XINMAO RARE-EARTH MECHANICAL AND ELECTRICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-25

Abstract

永磁电机磁路结构与矢量控制相结合的可控弱磁技术。系统中稀土永磁同步电机的多极特殊转子磁路结构能起调磁作用，控制器利用软件控制算法进行矢量控制就能实现可控弱磁技术。电机转子磁极磁路设计成具有凸极效应，并且d轴磁路的磁导大于q轴磁路磁导的永磁体内置式结构，并设置分流磁路，易于弱磁调速；控制器则利用软件控制算法进行空间电压矢量控制，对直轴电流I_d和交轴电流I_q分别控制，实现永磁电机大范围弱磁扩速。此系统在电动力驱动的牵引车辆上有较大实用价值。

Description

永磁电机磁路结构与矢量控制相结合的可控弱磁技术

所属技术领域

本发明可应用于电动力驱动的牵引车辆，采用稀土永磁同步电机控制系统驱动车辆，实现基速以上宽范围恒功率弱磁扩速。

背景技术

稀土永磁电机由于采用永磁体励磁而使得其结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。然而，永磁电机采用永磁体励磁，也造成调节励磁的困难，难以实现在基速以上恒功率弱磁扩速运行。

和电励磁同步电机不同，稀土永磁同步电机的转子励磁固定不变，永磁场产生的反电势和速度成正比，当电机端电压随转速升高到逆变器能够输出的最大电压之后，继续升高电机的速度，稀土永磁同步电机将无法再做恒转矩运行，而必须采取下述措施之一(或兼而用之)，以维持电枢绕组的电势平衡，从而获得一个新的调速范围。

措施一：对于可以进行电流相位控制的稀土永磁同步电机，使直轴电流I_d≠0，并起去磁作用，以消弱永磁场(即所谓弱磁)，且随着速度的升高，起去磁作用的I_d分量要不断增加，电势平衡才能继续维持。这种弱磁能力的大小与电枢绕组的直轴电感L_d成正比。这种措施只是考虑用电枢反映直轴分量对永磁磁极直接去磁方法，这对于稀土永磁材料用得多的磁极不容易达到弱磁效果，而对于稀土永磁材料用得少的磁极会造成不可恢复的退磁。

措施二：使电枢电流的交轴分量I_q逐渐减小从而减小其电枢反应的助磁作用及气隙合成磁场(这是一种等效弱磁)。这种弱磁能力的大小与交轴电感L_q成正比。尽管这一等效弱磁措施能够扩展电机恒转矩调速范围之外的调速范围(即弱磁范围)，但它以牺牲恒转矩调速范围和输出转矩为代价。因此，其能力的大小对电机的总调速范围没有多大影响。相反，随着这种能力的增大(X_d的增大)，恒转矩范围变窄，弱磁范围变宽，电机总的调速范围会有所减小，电机的输出转矩特性越来越软。

在稀土永磁同步电机驱动系统中，采取通常的弱磁扩速措施，常常达不到预期的扩速效果，主要表现为扩速范围小，无法满足应用要求；在扩速状态下，输出功率随速度增加而迅速下降，导致力矩不足。永磁电机最简单的弱磁办法是利用电枢反应削弱励磁，即使定子电流的直轴分量I_d＜0，其产生的磁场方向与气隙磁场相反，起去磁作用。但是，永磁材料的磁导率与空气相仿，磁阻很大，相当于定转子间有很大的有效气隙，利用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴分量。作为短时运行，这种方法可以接受，长期弱磁工作时，会带来很大的功率损耗。这是传统稀土永磁同步电机的弱磁扩速的缺陷所在，这一缺陷严重限制了其进一步推广和应用。

发明内容

针对上述技术问题，本发明首先对电机弱磁时的转子磁路进行特殊设计，并结合矢量控制技术，提供一种可实现宽范围、恒功率弱磁扩速的稀土永磁同步电机控制系统，适用于各型电动车辆的牵引。

本发明的技术方案是：稀土永磁同步电机的转子采用内置式结构并设置分流磁路；在逆变器中采用空间电压矢量的控制算法；由霍尔元件与磁钢盘组成的位置转速检测子系统。由上述三部分构成稀土永磁同步电机弱磁控制系统。其特点包括：

1、将稀土永磁电机转子磁极磁路设计成特殊结构，使其具有分流调磁作用，以此实现弱磁扩速。

2、由数字信号处理器、可编程逻辑器件、IGBT、驱动电路、电流采样电路组成的逆变控制器，实现高效快速的电机控制。

3、由霍尔盘和磁钢盘组成简单、可靠的位置、转速传感器。

本发明的有益效果在于：基速以下运行时，在控制上使I_d＝0，获得所需的最大电磁转矩。在基速以上运行时，控制使I_d≠0，同时端电压不变，在永磁电机内部产生去磁电流，由于转子磁路结构特殊设计，使气隙磁场大为减弱，产生数倍于基速的电机转速。控制I_d的同时，减小I_q，使得相电流在最大值范围内，这样使电机转矩和转速同时受到控制软件的控制。这项技术分别运用于15kw、37kw的稀土永磁同步电机驱动系统中，实现了恒功率弱磁，达到3倍甚至更高的弱磁扩速倍数。拓展了稀土永磁电机在车辆牵引中的应用范围，在军车、矿车、轻轨、地铁等军工、民用领域都具有重要的实用价值。

附图说明

图1为本发明中电机转子冲片图

图2为本发明中电机转子磁钢安装图

图3为本发明中的系统硬件框图；

图4为本发明中的系统控制框图；

图5为本发明中的系统主程序流程图；

图6为本发明中的定时器中断程序流程图；

图7为本发明中的捕获中断程序流程图。

具体实施方式

实现宽范围弱磁扩速的稀土永磁同步电机控制系统包括转子磁路结构经特殊设计的多极稀土永磁同步电动机和位置转速传感器以及实施空间电压矢量控制的控制器。

1、稀土永磁同步电机转子结构的设计

转子冲片设计如图1所示。为降低铁损，转子采用0.5mm冷轧硅钢片，其中序1为14mm×85mm的矩形永磁体安装槽，序2为叠片用紧固孔，序3为隔磁槽，序4为轴孔。

稀土永磁同步电机转子结构如图2所示。稀土永磁同步电机转子由若干片转子冲片叠压、由16根双头螺栓紧固而成。序6为轴向安装的14mm×85mm×170mm矩形钕铁硼永磁体，8个永磁体形成4对极内置式转子永磁结构。且能根据需要设计成不同的气隙磁场形式，甚至可采用聚磁结构提高气隙的有效磁通。序5及序3处可产生磁路分流作用。d、q轴如图示，由于具有凸极效应，这时d轴和q轴磁路的磁导不再相等，而q轴磁路要穿过永磁体才能形成回路，q轴的等效气隙要大于d轴的等效气隙，很显然这时有d轴磁导大于q轴磁导。因此可以实现恒功率弱磁控制，在此基础上加之分流磁路作用，扩大了速度范围，提高了最高工作转速，实现了稀土永磁同步电机转子弱磁结构设计。

内置式转子的稀土永磁同步电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高稀土永磁同步电机的过载能力和功率密度，而且设计了分流磁路易于弱磁调速，扩大恒功率运行范围，扩展了稀土永磁同步电机的高速运行范围，实现基速以下恒转矩输出，基速以上恒功率输出，特别适合用作电动车辆高效、高密度、宽调速的驱动装置。

2、稀土永磁同步电机采用空间电压矢量(SVPWM)技术进行控制，控制器包括主电路，控制电路，键盘与显示单元。

控制器硬件如图3所示，主电路由IGBT模块构成三相桥逆变回路，完成电源的变换。控制电路采用全数字控制技术，以DSP为控制核心，充分发挥其运算速度快，信号处理能力强的优势，配以CPLD可编程器件完成数字逻辑的变换，大大简化了外围电路，提高了系统可靠性，并方便了算法的实现，DSP的外围电路还包括三相电流采样电路，位置、速度信号采样电路以及IGBT驱动电路、保护电路等，分述如下：

(1)DSP处理器内核：系统中采用的数字信号处理器是为电机控制专门设计的专用DSP，集成度高，具有丰富的外设，运算速度快，这些特点便于实现各种复杂的电机控制算法，如坐标变换、空间电压矢量算法，提高了电机控制的实时性。

(2)大规模可编程逻辑器件(CPLD)：作为DSP与外围电路的接口，可以在内部实现各种组合逻辑和时序电路，简化了整个电路的设计，提高了可靠性，改善了控制电路的电磁兼容性，其现场可编程的特点还有助于系统的调试和完善。

(3)三相电流采样电路：在SVPWM的控制中，电机相电流的采样是关键。本系统用霍尔电流传感器实时测量电流，被测电流信号经过电平极性变换、二阶低通滤波器，进入DSP芯片的AD转换输入端，由DSP的ADC模块完成模数转换。

(4)位置、速度信号采样电路：由传感器发出的位置信号经光耦隔离后被DSP采集，共有U、V、W、A、B5个信号，其中U、V、W为电机的绝对位置信号，用于电机的启动，A、B信号为电机的相对位置信号，用于计算电机转子相对于起始零点的角度。DSP内部集成了正交编码电路，对A、B信号进行倍频处理，再计算出电机转过的角度和速度。

(5)IGBT驱动、保护电路：DSP根据采集的位置、电流信号，经过SVPWM算法后，发出PWM驱动、控制信号，控制相应的IGBT的导通与关断，DSP同时实时监视保护信号，出现异常情况，立即封锁驱动信号输出，保护控制器和电机。

稀土永磁同步电机空间电压矢量控制框图

由图4可知，控制系统对稀土永磁同步电机实施电流、转速的双闭环控制，内环为I_d、I_q电流环，外环为速度环。

电流环包含以下模块：

1)Clark变换、Park变换模块。被采样的三相电流经Clark变换后，电流矢量转换到了静止直角坐标上，再经Park变换，电流矢量转换到了旋转直角坐标系中，得到了反馈的I_d、I_q。

2)Park逆变换模块。给定的I_d、I_q与反馈的I_d、I_q进行比较，差值经过PID调节后，输出的控制量再经过Park逆变换转换到静止坐标系中。

3)空间电压矢量发生器模块。控制量经Park逆变换后，输入空间电压矢量发生器，经过SVPWM算法，得出开关管的导通及相应的导通时间，并发出控制信号，在电机中生成一个要求的定子电流矢量。

在速度环中进行基速以下速度的闭环控制，并完成基速以上时弱磁扩速控制和基速点控制模式的转换。

根据前述控制系统框图，控制软件按功能模块进行规划，包括主程序模块，一个定时器中断模块，一个捕获中断模块，如图5、6、7所示。

在主程序中完成系统及外设的初始化，等待中断。捕获中断中完成位置归零，每经过一个U信号，将位置角度清零，用于清除位置检测时的累积误差。其余任务全部放在定时器中断中完成，中断周期为100us，即每100us采样一次电流和角度，计算一次控制量，发出一个新的电流空间矢量i_s。每50ms控制一次速度。

在基速以下时，给定I_d＝0，基速以上时启动弱磁控制，使I_d≠0，并进行速度闭环控制。

Claims

1.永磁电机磁路结构与矢量控制相结合的可控弱磁技术，在特殊设计的磁路结构基础上，采用矢量控制算法，使直轴电流I_d不等于0，易起去磁作用。削弱永磁场(即所谓弱磁)，随着速度的升高，起去磁作用的I_d分量不断增加，削弱永磁场(即所谓弱磁)，控制反电势的升高，以维持电机电势平衡方程。

2.根据权利1所述的永磁电机磁路结构与矢量控制相结合的可控弱磁技术，其特征是：稀土永磁同步电机的转子采用具有凸极效应，并且d轴(直轴)磁路的磁导大于q轴(交轴)磁导的永磁体内置式多极结构并设置分流磁路；在控制器中采用空间电压矢量的控制算法，分别控制直轴电流I_d和交轴电流I_q；位置及转速检测子系统。

3.根据权利2所述的永磁电机磁路结构与矢量控制相结合的可控弱磁技术，其特征是：内置式转子的稀土永磁同步电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高稀土永磁同步电机的过载能力和功率密度，而且设计了分流磁路易于弱磁调速，扩大恒功率运行范围，扩展了稀土永磁同步电机的高速运行范围，实现基速以下恒转矩输出，基速以上恒功率输出，适合用作电动车辆高效、宽调速范围的驱动装置。