CN102144356B - 操作具有永磁体转子的同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种操作同步电动机（1）的方法，所述同步电动机（1）具有包括一组电磁体（7、9）的定子并具有永磁体转子（5），其中，通过如下操作控制所述同步电动机（1）：在通量控制器（f）中计算通量大小的量度，所述通量大小的量度是所述电动机（1）的定子通量的大小；在负载角控制器（g）中计算负载角的量度。关于期望的电动机转矩或小于所述期望的电动机转矩的减小的电动机转矩的信息输入至所述负载角控制器（g），并且所述负载角控制器（g）根据所输入的电动机转矩计算所述负载角的所述量度。组合所述通量大小的所述量度和所述负载角的所述量度，以获得用于控制所述定子的电磁体的电流，从而直接控制所述定子通量的命令。重复计算通量极限值，所述通量极限值取决于所述电动机（1）容许的所述定子通量的预定最大值，取决于用于驱动通过所述定子电磁体（7、9）的电流的电压的最大值，并取决于实际转子速度。在所述定子通量小于所述电动机容许的最大通量时所述转子（5）的加速期间：根据预定函数的输出计算所述通量大小的所述量度，其中，所述预定函数的所述输出取决于所述期望的电动机转矩并对应于使用最小的可能定子电流得到所述期望的电动机转矩的所述定子通量的所述大小。根据所述期望的电动机转矩计算所述负载角的所述量度。

Description

操作具有永磁体转子的同步电动机

技术领域

本发明涉及操作具有定子并具有永磁体转子的同步电动机的方法，所述定子包括一组电磁体。该电动机通常称作永磁体同步电动机(PMSM)。本发明还涉及用于操作该电动机的设备。具体的感兴趣的领域是控制PMSM，PMSM为轨道车辆的推进电动机。 

背景技术

典型地，具有带至少一个电磁体的转子的异步电动机用于轨道车辆的推进。术语“轨道车辆”包括任何轨迹受约束的车辆。这些异步电动机能够容易地受到控制，因为不仅定子的电磁体，而且转子的单个或多个电磁体也能够适应于期望的操作行为。然而，PMSM电动机具有一些优点。特别是，功率密度(每体积可获得的功率)高且能量损失低。另一方面，如所提到的，如果在动态情况下需要电动机的快速响应，并且如果有效使用资源(具体是可利用的电压和能量)是重要的，则PMSM的控制更加困难。 

通常，电动机的操作参数有极限(limit)。一些极限可以取决于操作状态，一些极限对电动机是固定的。具体地，这些极限是：电动机所容许的定子通量的最大值、用于驱动通过定子电磁体的电流的电压的值、这些电流的容许的最大值以及电动机所容许的最大容许转矩。 

发明内容

本发明的目的是提供上述类型的方法和设备，以便以有效的方式控制PMSM。具体地，将处理不同的操作状态，诸如达到电动机的操作参数的极限的操作状态。 

本发明的基本想法是使用直接定子通量控制。该通量控制的优点是最大可用电压能够用于驱动定子电流并且电动机显示出好的动态行为。例如，可以以所谓的六步操作(即以十六进制模式(hex mode))来操作用于驱动 电动机的定子电流的DC-AC转换器，以实现最大可用电压。在此情况下，变换器的每个相在电动机中生成具有方形波的时间行为的电压。以此模式，电动机的电压幅度是可能的最大值，并且仅电压的频率和相位能够受到控制。此模式用于比基本速度高的速度。基本速度是最大的可能通量等于最大容许通量时转子的速度。 

根据本发明的另一基本想法，使用实现期望的转矩所需的通过定子电磁体的电流的最小大小驱动电动机。特别是，这适用于转子的加速，例如当轨道车辆从静止加速至巡航速度时。 

根据以下将描述的本发明的优选实施例，期望的转矩可以收入至电动机控制结构。期望的电动机转矩可以例如由轨道车辆的驾驶员选择，或其可以由自动控制系统输出至控制结构。此外，至控制结构的输入变量可以是：电动机的最大容许定子通量、驱动通过定子电磁体的电流的最大可用电压、转子的旋转速度给出的电动机速度、最大负载角、和/或通过定子电磁体的电流的最大值，最大负载角是定子通量与指示(referred to)转子的旋转轴的转子通量之间的角。控制结构可以产生可以输入至调制器的电压信号，并且调制器可以控制用于直接控制变换器的切换的装置，变换器将由可用电压驱动的直流电变换为通过电动机的电磁体的交流电。可以基于空间向量调制(SVM)操作直接控制变换器的控制装置。然而，使用控制结构的输出以驱动电动机的其它方法也是可能的。 

本发明的基本概念是使用通量控制器控制电动机的定子通量的大小，并且，与该通量控制器并行地，使用负载角控制器控制定子通量和转子通量之间的负载角。通量控制器可以输出应当被产生的通量大小的量度(measure)。通量大小的量度可以是在定子通量的标准d-q坐标系中，定子通量大小的方向上的电压。另一方面，由负载角控制器产生的以驱动负载角并且从而驱动电动机的转矩的负载角控制器的量度可以是与定子通量大小的方向上的电压正交的电压。范例将在附图的描述中给出。优选地组合通量控制器产生的通量大小的量度和负载角控制器产生的负载角的量度，以产生提到的参考信号，或更具体而言，电压参考。 

根据本发明的一个特征，关于期望的转矩的信息输入至通量控制器和负载角控制器。然而，在所有状况下，关于期望的转矩的信息不直接由通 量控制器使用并且也不直接由负载角控制器使用。术语“关于期望的转矩的信息”包括至控制器的输入信号对应于参考值(期望的转矩)与实际值(实际转矩)之间的差的情况，即信息可以是差。下面为了简化措词，“期望的转矩”可以用于代替“关于期望的转矩的信息”。为产生用于通量控制器的输入，该输入直接由通量控制器使用，可以执行两个操作。根据一个操作，应用预定的函数。期望的转矩输入至预定的函数，并且预定的函数输出对应于使用最小的可能定子电流得到期望的电动机转矩的定子通量的大小的值。换句话说，预定的函数确保使用最小的可能定子电流产生期望的转矩。 

然而，此第一操作在电动机的所有操作状况下不执行，或此第一操作的结果在所有状况下不直接由通量控制器使用。而是，根据第二操作，重复计算定子通量的通量极限值，并且如果定子通量达到通量极限值，则将对应于通量极限值的值输入至通量控制器由通量控制器直接使用，从而保持定子通量为极限值。 

根据第二操作，期望的转矩由限制函数限制于减小的值。此限制函数可以因为一个或两个以下原因限制期望的转矩：可以达到通过定子的电磁体的最大容许电流和/或可以达到电动机的最大容许转矩。通过限制期望的转矩为输入至负载角控制器的限制的转矩，此限制函数保证相应的最大值不被超过。再次，实际输入信号可以表示参考值与实际值之间的差。 

具体地，提出了以下方案： 

一种操作同步电动机的方法，所述同步电动机具有包括一组电磁体的定子并具有永磁体转子(即永磁体或永磁体组用于产生磁转子通量)。通过如下操作控制所述同步电动机：在通量控制器中计算通量大小的量度，所述通量大小的量度是所述电动机的所述定子通量的大小；以及在负载角控制器中计算负载角的量度，所述负载角的量度是所述定子通量与指示所述转子的旋转轴的转子通量之间的角。期望的电动机转矩或小于所述期望的电动机转矩的减小的(reduced)电动机转矩输入至所述负载角控制器，其中，所述负载角控制器根据所输入的电动机转矩计算所述负载角的所述量度。组合所述通量大小的所述量度和所述负载角的所述量度，以获得信号，所述信号用于获得用于控制所述定子的电磁体的电流，从而直接控制所述定子通量的命令。

此外，作为可选步骤，重复计算通量极限值，所述通量极限值取决于所述电动机容许的所述定子通量的预定最大值（以下，“最大容许通量”或“电动机容许的最大通量”），所述通量极限值取决于用于驱动通过所述定子电磁体的电流的电压的值，并取决于实际转子速度。具体地，所述通量极限值对应于电动机速度小于基本速度时定子通量的最大容许值。在更高的电动机速度，通量极限值对应于取决于电压和速度的最大可实现通量（也称作：最大的可能通量）。 

在所述定子通量小于所述电动机容许的所述最大通量时所述转子的加速期间： 

●根据预定函数的输出计算所述通量大小的所述量度，其中，所述预定函数的所述输出取决于所述期望的电动机转矩并对应于使用最小的可能定子电流得到所述期望的电动机转矩的所述定子通量的所述大小；以及 

●根据所述期望的电动机转矩计算所述负载角的所述量度。 

可选地，在所述定子通量已经达到所述最大容许通量时，在所述转子的进一步加速期间，执行如下操作： 

●计算对应于所述通量极限值（其于此为最大容许通量）的所述通量大小的所述量度；以及 

●根据所述期望的电动机转矩计算所述负载角的所述量度。 

结果，定子通量将限制于通量极限值，通量极限值于此为最大容许通量。此外，因为所述期望的电动机转矩增大，所以负载角也增大。然而，如果在达到所述通量极限值时或之前，通过所述定子的所述电磁体的所述电流的大小大到了预定最大值，则可以不执行此可选步骤。 

一种用于操作同步电动机的对应设备，所述同步电动机具有包括一组电磁体的定子并具有永磁体转子，所述设备包括： 

-通量控制器，用于通过计算通量大小的量度来控制所述电动机，所述通量大小的量度是所述电动机的所述定子通量的大小； 

-负载角控制器，用于通过计算负载角的量度来控制所述电动机，所述负载角的量度是所述定子通量与指示所述转子的旋转轴的转子通量之间的 角； 

-所述负载角控制器包括用于接收关于电动机转矩的信息的输入端，所述电动机转矩是期望的电动机转矩或小于所述期望的电动机转矩的减小的电动机转矩，并且其中，所述负载角控制器被配置为根据所输入的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度； 

-组合装置，用于组合所述通量大小的所述量度和所述负载角的所述量度，以获得信号，所述信号用于获得用于控制所述定子的所述电磁体的电流，从而直接控制所述定子通量的命令； 

-通量极限计算装置，用于重复计算通量极限值，所述通量极限值取决于所述电动机容许的所述定子通量的预定最大值，所述通量极限值取决于用于驱动通过所述定子电磁体的电流的电压的最大值，并取决于实际转子速度； 

-其中，所述设备被配置为在所述定子通量小于所述通量极限值时执行如下操作以使所述转子加速： 

●根据预定函数的输出计算所述通量大小的所述量度，其中，所述预定函数的所述输出取决于所述期望的电动机转矩并对应于使用最小的可能定子电流得到所述期望的电动机转矩的所述定子通量的所述大小；以及 

●根据所述期望的电动机转矩计算所述负载角的所述量度。 

在所述定子通量达到所述通量极限值时，所述设备适于执行如下操作以使所述转子进一步加速： 

●计算对应于所述通量极限值的所述通量大小的所述量度；以及 

●根据所述期望的电动机转矩计算所述负载角的所述量度，使得所述定子通量限制于所述通量极限值（于此为最大容许通量），并且此外，因为所述期望的电动机转矩增大，所以负载角也增大。这对应于上述可选地执行的方法步骤。 

 因为使用最小的可能定子电流产生所述期望的电动机转矩，且所述定子通量未达到最大值，所以所述电动机控制的动态行为非常出色且可实现的电能得到了有效的使用。在所述定子通量达到其最大值时，所述定子电流仍然尽可能小，因为定子通量保持在其极限值并且通过增大负载角产生 所述期望的转矩。 

优选地，在通过所述定子的所述电磁体的所述电流的所述大小已经达到预定最大值且所述电动机有待于进一步加速时，执行如下操作： 

●根据所述减小的电动机转矩计算所述负载角的所述量度，使得所述电流连续匹配所述预定最大值，并使得所述负载角在所述定子通量减小时增大。 

在通过所述定子的所述电磁体的所述电流的所述大小达到预定最大值且所述电动机有待于进一步加速时，能够通过所述定子通量保持在最大的可能通量(其取决于可用电压和转子速度)的概念来替代地限定该阶段。 

通过限制所述期望的转矩于限制的转矩的上述限制函数优选地执行电流限制。再次，能量的使用是有效的，且通过增大负载角实现了控制的非常好的动态行为。 

在一些状况下，电动机转矩可以达到其最大值。在这些状况下，优选地执行如下操作以使所述转子进一步加速。根据所述减小的电动机转矩计算所述负载角的所述量度，其中，所述减小的电动机转矩限制于所述预定最大值，使得所述电流减小，并使得所述定子通量减小。 

当所述转子加速时如上述地减小了所述定子通量时，可以减小所期望的转矩，例如因为轨道车辆的驾驶员减小所述期望的转矩。然而，尽管该减小的转矩，一些时间可能需要转子的进一步的加速。对于该状况，建议： 

●计算所述通量大小的所述量度，使得其等于所述通量极限值(例如，通量几乎恒定，取决于驱动条件，其可以稍微减小或增大)，以及 

●根据所述期望的电动机转矩计算所述负载角的所述量度，使得所述定子通量限制于所述通量极限值并且所述负载角减小。 

此阶段的特征也能够在于定子通量保持在最大的可能通量(取决于可用电压和转子速度)的概念。 

这可以将操作状态返回到能够在上述预定函数的基础上计算所述通量大小的所述量度的状况，这保证使用最小的可能定子电流产生所述期望的电动机转矩，其中，可以直接基于所述期望的电动机转矩计算所述负载角的所述量度。 

附图说明

将参照以下附图描述本发明的优选范例。附图示出了： 

图1为一种设备，该设备包括优选的控制结构和用于接收该控制结构的输出并用于直接控制电动机的装置； 

图2为示出电动机加速的状况的转矩需求和转子速度的时间相关函数的图示； 

图3是对应于图2中所示的状况的q-d定子通量坐标系中的定子通量路径； 

图4是与图2中所示的图示类似的另一图示，其针对转子加速的不同状况； 

图5是对应于图4中所示的状况的定子通量路径； 

图6是示出电动机的定子内的永磁体转子旋转的示意性图示；以及 

图7是示例坐标轴和角度的不同符号的图示。 

具体实施方式

以下范例适用于定子电磁体的电感与通过电磁体的电流不相关的电动机。所给出的公式因此比实践中的其它情况简单。 

图6示意性地示出了永磁体同步电动机1，其具有定子3和转子5。例如通过彼此垂直取向的两个电磁线圈7、9产生定子3的磁通量。线圈7在非旋转坐标系的坐标轴α的方向上取向。线圈9在非旋转坐标系的另一坐标轴β的方向上取向。 

转子5的永磁体产生在旋转坐标系的方向d上取向的磁通量，旋转坐标系的旋转速度是转子5的旋转速度。旋转坐标系的其它(正交于d)坐标轴由“q”标记。 

图7示例一些符号并且将在以下被引用。 

图7示出了在对应于图6中描绘的状况的特定时间点处旋转坐标系和非旋转坐标系的状况。转子通量Ψ_M总是在旋转坐标系d-q的坐标轴d的方向上取向。非旋转坐标系α-β的坐标轴α与坐标轴d之间的角由Θ标记。关于非旋转坐标系，定子电压的频率(其也适用于定子电流的频率)与角Θ的第一时间导数成比例。如果电动机的极数为2，则定子电压的频率等于角 Θ的第一时间导数。 

轴d与磁定子通量 

之间的角由γ标记。坐标轴d与定子电流 

之间的角由v标记。坐标轴ds(图7中“ds”)总是与定子通量向量 一致。坐标轴qs(图7中“qs”)与ds正交，这意指ds和qs限定与定子通量相关的坐标系。定子电流能够在d-q坐标系中以复数形式写为如下形式： 

${\stackrel{\‾}{I}}_S=i_d+j\·i_q$ 等式1 

定子通量 

的对应复数形式为： 

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ψ}}}_S={\mathrm{\Ψ}}_M+L_d{i}_d+j\·L_q{i}_q$ 等式2 

其中，i_d为定子电流在坐标轴d的方向上的分量，i_q为定子电流在坐标轴q的方向上的分量，j是复数单位j²＝-1，L_d是定子电磁体在坐标轴d的方向上的磁感应率以及L_q是定子电磁体在轴q的方向上的磁感应率。电动机的转矩由下式给出： 

$T=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ψ}}\×{\stackrel{\‾}{I}}_s={\mathrm{\Ψ}}_d{i}_q-{\mathrm{\Ψ}}_q{i}_d$ 等式3 

其中，Ψ_d和Ψ_q是旋转坐标系d-q中的定子通量的分量，并且其中为简化去除了定子通量 的 

以其它形式，转矩能够写作： 

$T={\mathrm{\Ψ}}_{M}I\sin \left(\mathrm{\ν}\right)+\frac{1}{2}(L_d-L_q)I^2\sin \left(2\mathrm{\ν}\right)$ 等式4 

其中I是定子电流 

的量。通过计算转矩对角v的导数并将此导数设定为零：dT/dv＝0，能够得到最大转矩-电流比(只要电流大小，即电流的量恒定)。以下角v的对应值由v₀标记。角v₀的余弦、定子通量 

以及转矩T₀的结果如下： 

$\cos \left({\mathrm{\ν}}_0\right)=\frac{-{\mathrm{\Ψ}}_M+\sqrt{{\mathrm{\Ψ}}_M^2+8{(L_d-L_q)}^2{I}^2}}{4(L_d-L_q)I}$ 等式5 

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ψ}}}_0={\mathrm{\Ψ}}_M+L_{d}I\cos \left({\mathrm{\ν}}_0\right)+j{L}_{q}I\sin \left({\mathrm{\ν}}_0\right)$ 等式6 

$T_0={\mathrm{\Ψ}}_{M}I\sin \left({\mathrm{\ν}}_0\right)+\frac{1}{2}(L_d-L_q)I^2\sin \left(2{\mathrm{\ν}}_0\right)$ 等式7 

从而，最佳定子通量，即对应于最大转矩-电流比的定子通量，是转矩的函数： 

Ψ₀＝f(T₀，Ψ_M，L_d，L_q)         等式8 

其中，f表示“函数”。能够使用以上给出的等式来计算的此函数能够实施于图1中所示的(以下将描述的)装置b中并且为在以上本发明的总体描述中提到的预定函数的优选实施例。 

能够根据给出的电流和通量大小，例如通过使用如下等式9a和9b来计算通量向量： 

${\mathrm{\Ψ}}_d=\frac{L_q^2{\mathrm{\Ψ}}_M-L_d{L}_q\sqrt{(L_q^2-L_d^2)I^2+(\frac{L_d^2}{L_q^2}-1){\left|\mathrm{\Ψ}\right|}^2+{\mathrm{\Ψ}}_M^2}}{L_q^2-L_d^2}$ 等式9a 

${\mathrm{\Ψ}}_q=\sqrt{{\left|\mathrm{\Ψ}\right|}^2-{\mathrm{\Ψ}}_d^2}$ 等式9b 

转矩由以下等式给出： 

$T=(\frac{{\mathrm{\Ψ}}_d}{L_q}-\frac{{\mathrm{\Ψ}}_d-{\mathrm{\Ψ}}_M}{L_d}){\mathrm{\Ψ}}_q$ 等式10 

根据等式9和等式10，能够计算对应于电流的极限值的转矩的极限值，电流的极限值即通过定子电磁体的最大电流，并且能够将转矩的极限值存储在例如查找表中。一般而言，此转矩极限是定子通量、最大电流、转子通量的量以及定子电磁体的磁感应率在d-q坐标系中的复感应率的函数。 

在许多情况下，对特定电动机存在能够称作“撤出(pull out)”转矩的最大容许转矩，并且能够使用以下等式计算d-q旋转坐标系中的磁定子通量： 

${\mathrm{\Ψ}}_{d_{\mathrm{pull}}}=\frac{L_q{\mathrm{\Ψ}}_M-\sqrt{{L_q}^2{{\mathrm{\Ψ}}_M}^2+8{\left|\mathrm{\Ψ}\right|}^2{(L_d-L_q)}^2}}{4(L_q-L_d)}$ 等式11a 

${\mathrm{\Ψ}}_{q_{\mathrm{pull}}}=\sqrt{{\left|\mathrm{\Ψ}\right|}^2-{{\mathrm{\Ψ}}_{d_{\mathrm{pull}}}}^2}$ 等式11b 

于是能够根据如下等式计算对应的拔出负载角。 

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{pull}}=f_{\mathrm{pull}}\left(\mathrm{\Ψ}\right)=\mathrm{\α}\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{q_{\mathrm{pull}}}}{{\mathrm{\Ψ}}_{d_{\mathrm{pull}}}}\right)$ 等式12 

并且拔出转矩由下式给出： 

$T_{\mathrm{pull}}=(\frac{\left|\mathrm{\Ψ}\right|\cos \left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{pull}}\right)}{L_q}-\frac{\left|\mathrm{\Ψ}\right|\cos \left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{pull}}\right)-{\mathrm{\Ψ}}_M}{L_d})\·\left|\mathrm{\Ψ}\right|\sin \left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{pull}}\right)$ 等式13 

因此，拔出转矩是定子通量的量、转矩通量的量以及在旋转坐标系d-q中以复数形式写出的定子电磁体的磁感应率的函数。根据图1的装置c可以适于输出根据等式13的拔出转矩或根据等式10的对应于电流极限的转矩，无论哪个转矩更小，装置c是用于计算本发明的总体描述中提到的减小的电动机转矩的限制装置的优选实施例。 

能够省略装置c，并且能够通过其它方式进行预防，使得期望的转矩不超过最大容许转矩。例如，可以限制影响电动机控制的其它参数和/或量，以产生最大容许电动机转矩绝不被超过的效果。因此专门的限制装置并不是必须的。 

当达到电动机的最大容许定子通量时，通过设定负载角控制转矩，即通过根据本发明的负载角控制器控制负载角。当转子速度提高时，即转子加速时，能够用于驱动定子电磁体电流的最大电压限制通量并且定子通量因此将减小。并且在通量受到最大可用电压限制的此状况中，使用负载角作为受控变量控制转矩。计算定子通量的极限值的图1的装置a(参照以下)可以适于执行这些状况中的两个不同的限制函数。装置a可以输出最大容许定子通量或最大可用电压除以转子速度并乘以常数K而得到的值二者的最小值，无论哪个值更小： 

$f_{\mathrm{\Ψlim}}=\min ({\mathrm{\Ψ}}_{\max },K\frac{u_{\max }}{\mathrm{\ω}})$ 等式14 

图1示出了用于控制永磁体同步电动机PMSM的控制结构21，永磁体同步电动机PMSM可以是如由三根线23表示的三相交流电动机。根据本发明的此具体范例，使用空间向量调制SVM直接控制电动机PMSM。使用标准直流-交流转换器通过装置VSI执行SVM，该转换器即变换器，其可以具有三个分支，在每种情况下，该三个分支具有彼此串联连接的两个半导体开关。用于切换半导体开关的命令在装置VSI中产生。然而，装置VSI由调制器25的输出控制，其可以以本领域大体上公知的方式运作。 

然而，如何计算调制器25的输入端的信号的方法隶属于本发明。例如，控制结构21输出参考电压 

通过组合(在组合装置h中)彼此并联连 接的通量控制器f和负载角控制器g的输出信号来接收该参考电压 

组合装置h的输出 是在固定的非旋转坐标系α-β中给出的电压参考。也就是，能够如下计算 

输入电压V_d和V_q在旋转定子通量坐标(ds-qs，见以上图7)中给出。 

根据于此描述的实施例，通量控制器f接收参考值 

作为输入值并基于此输入值操作。如上述，参考值 可以以通量的实际值与参考值之间的差的形式输入至通量控制器f。通量控制器可以是例如PI(比例，积分)控制器，并且可以输出表示定子通量的方向上的参考电压的电压V_d，定子通量的方向即旋转坐标系的坐标轴ds(见图7ds的定义)的方向。优选地，使用系统ds和qs的坐标执行控制方法(见图7的以上描述)。 

负载角控制器g接收信号 作为输入值，并在此基础上计算参考电压V_q作为输出，其中此参考电压V_q对应于控制垂直于坐标轴qs(其垂直于定子通量的方向)的定子通量的分量的电压。因此，参考电压V_q控制定子通量与转子通量之间的负载角。再次，关于转矩参考值 的信息可以以转矩的实际值与参考值 

之间的差的形式输入至负载角g。 

输入至通量控制器f的通量参考值 

从组合装置d输出。如果定子通量受到限制装置a(以上描述了此装置a的功能)的限制，则限制的输出值Ψ_lim由组合装置d输出作为参考值 在所有其它状况中，组合装置d输出装置b的函数值作为参考值 

装置b接收期望的转矩T_ref作为输入值并在例如等式8以及前述等式5-7的基础上计算其输出值。 

期望的转矩T_ref也输入至另外的组合装置e，装置e输出期望的转矩作为参考转矩值 

或输出装置c的输出T_lim，装置c的功能在上面进行了描述。装置c接收定子通量的实际值和定子电流的最大值。如上述，可以根据等式9-13操作装置c。 

装置a接收最大容许定子通量、驱动定子电流的最大可用电压以及转子的实际速度。 

为了描述控制结构21的泄漏：限制装置a包括用于接收最大容许定子通量、最大可用电压以及实际转子速度的输入端。限制装置a的输出端连 接至组合装置d。用于计算上述预定函数的函数值的装置b包括用于接收期望的转矩的输入端，并包括连接至组合装置d的输入端的输出端。组合装置d的输出端连接至通量控制器f，以传输通量参考值 

通量控制器的输出端连接至组合装置h。 

组合装置e包括用于接收期望的转矩T_ref的输入端并包括用于接收转矩极限值T_lim的输入端。此输入端连接至装置c的输出端，装置c具有用于接收实际定子通量大小并用于接收定子的最大容许电流的输入端。 

组合装置e的用于输出参考转矩值 

的输出端连接至负载角控制器g的输入端。负载角控制器g的输出端连接至组合装置h。 

参照图2和3，描述了转子的加速期间，电动机操作的第一范例。图2示出了作为图示的水平轴的时间轴。例如，时间轴的单位可以是一秒，即时间轴在零开始且在30秒结束。 

竖直轴对应于期望的转矩值T_ref和转子速度ω。 

图3示出了旋转d-q坐标系中的定子通量。在转子的加速过程期间，定子通量的发展情况如实线所示并由六个箭头指示。某些时间点和对应的定子通量由图3中的字母A-E标记。图2中也指示了对应的时间和期望的转矩T_ref的值。图2中的期望的转矩T_ref的过程具有梯形形状。 

加速过程在静止开始，例如当电动机的转子不旋转时，或电动机不产生转矩时。这由字母A指示。在加速过程在时间零开始的第一阶段，期望的转矩T_ref线性增大。在此阶段的第一部分，定子通量遵循在图3的图示中从A点至B点以近似线性但是稍微弯曲的线。遵循此路径，定子通量的q分量从零增大至约1.2的值。这意指负载角根据期望的转矩T_ref的连续增大连续地增大。路径A-B的特有特征是，图3中所示的定子通量图示中的此路径的位置由电动机转矩由通过定子电磁体的最小的可能电流产生的条件给出，其中所有这些电流由相同电压驱动。这通常是用于使用变换器从直流中间电路给电动机提供能量的标准系统中的情况，此变换器将直流变换为连接至电动机的三个相的三相交流系统的三个相。然而，本发明不限于三相系统。 

回到图1，图3中的路径A-B受到装置b的控制，装置b输出其函数值并且此参数值由组合装置d作为参考值 

输出至通量控制器。负载角控 制器接收期望的转矩T_ref作为输入值。在操作的此阶段，限制装置a和c不影响控制结构的输出。 

在图2和图3中的B点，达到最大容许定子通量。这在图2中的时间t＝1发生。在图3中，最大容许定子通量对应于由|Ψ|＝Ψ_max标记的虚环形线。 

可替代地，根据本发明的另一范例，点B和C可以相同，即图3中的路径C-D将直接接着路径A-B。例如如果通量的最大容许状态达到时或达到之前，通过定子的电磁体的电流的大小达到预定最大值，则这发生。 

因为期望的转矩T_ref仍然增大直至t＝2(见图2)，所以通过进一步增大为图1中的通量控制器f的输入值的参考值 不能实现增大的转矩。相反，限制装置a将此参考值限制于最大的可能值，使得最大容许定子通量Ψ_max不被超过。为了产生对应于期望的转矩的电动机转矩，接收期望的转矩作为其参考值 

的负载角控制器g输出控制信号以增大负载角。对应地，图3中的路径B-C遵循最大容许定子通量的环形线，从而增大负载角，负载角在图7中标记为γ。因此，在图7中，通过以反时钟方向旋转由 

标记的指针实现了遵循路径B-C进行的操作，使得增大负载角γ。回到图1，如上述通过极限值(limit value)Ψ_min提供为通量控制器f的输入值的参考值 

另一方面，为负载角控制器g的输入值的输入值 

等于期望的转矩值T_ref。因为通量控制器f不能对电动机转矩的期望的增大起作用，所以负载角控制器g将传输所需的输出信号。例如，负载角控制器g也是PI控制器。这意指限制装置a钝化(passivate)通量控制器f的功能。另一方面，限制装置c在对应于路径B-C的阶段中对控制结构21的输出没有影响。 

在C点，期望的转矩T_ref达到其最大值，并在随后的操作阶段中保持恒定。因此，达到通过定子的电磁体的最大容许电流。图3中的对应于恒定定子电流的定子通量的对应线由|I|＝2指示，并为椭圆的一部分。然而，首先，在从图2中t＝2至t＝10的阶段期间，定子通量不减小，但是恒定。相反，因为将不增大转矩，所以定子通量能够保持在C点，但是转矩能够以恒定通量大小和恒定负载角使转子加速。 

参照图1中所示的控制结构21，除限制装置c将转矩限制于实际值外，在在前的阶段(路径B-C)与定子通量保持在C点的阶段之间不存在操作 差异。然而，只要期望的转矩也保持恒定，则此限制没有影响。换句话说，限制装置C的输出T_min以及期望的转矩T_ref相等。因此，组合装置e输出也等于这些值的 

在时间t＝10，达到可用于驱动通过定子电磁体的电流的最大电压，并且定子通量减小，但是保持在最大的可能通量(取决于速度和电压)。图3中的对应的路径从C-D延伸。对应地，不能够以与t＝10之前的速率相同的速率增大转子速度。结果，限制装置c开始减小限制的转矩T_lim并且组合装置e输出此限制的转矩作为参考转矩 结果，定子通量随转子速度的增大而减小，其中限制装置c保证定子通量保持在最大定子电流的线上。如图3中能够看见的，路径C-D上发生了负载角的稍微增大。 

在对应于图2中的t＝20的D点，期望的转矩开始减小。因此，组合装置e输出减小的转矩值T_ref代替限制的转矩值T_lim，并且负载角控制器d通过减小负载角进行反应，同时定子通量大小通过通量控制器f保持(通过函数a)在极限(最大容许通量或最大的可能通量，无论哪一个更小)。 

从C-D和从D-E的阶段由定子通量保持在最大的可能通量(取决于可用电压和转子速度)的概念限定，即通量在这些阶段尽可能高。 

在对应于图2中t＝21.5的E点，定子通量达到的路径的特征在于以下条件：转矩能够由通过定子电磁体的最小的可能电流产生。在此点，控制结构21开始以与以上对路径A-B描述的方式相同的方式操作，其中，限制装置a和c不影响控制结构1的输出。相反，装置b影响通量控制器f，使得通量控制器f减小路径E-A上的定子通量。 

图4和5示例类似的加速过程。然而，期望的转矩T_ref在其最大值保持恒定达更长的时间段，直至t＝40。因此，在图5中的C点开始(其是与图3中的C点相同的点)，定子通量在图5中的路径C-F上减小，而不是在图3中的D点终止。在F点，定子通量达到指示电动机的最大容许负载角的线O-P。结果，限制装置c在F点开始进一步限制输出值T_lim，其对应于图4中的t＝30。如从图4中t＝30处能够看到的，加速速率进一步减小。 

在G点，转矩需求(即期望的转矩)被减小，使得定子通量遵循从点G-H的线。在此路径上，定子通量保持在最大的可能通量(取决于速度和电压)。控制结构21在路径G-H上的功能与对图3中的路径D-E的相同， 但是在定子通量大小的更小水平。 

在H点，定子通量再次达到特征在于最佳转矩-电流比的从A-B的线。以与参照图2和图3对路径E-A描述的相同方式控制从H-A的路径。 

Claims (10)

1.一种操作同步电动机（1）的方法，所述同步电动机（1）具有包括一组电磁体（7、9）的定子并具有永磁体转子（5），其中，通过如下操作来控制所述同步电动机（1）：

-在通量控制器（f）中计算通量大小的量度（V_d），所述通量大小的量度（V_d）是所述电动机（1）的定子通量的大小；

-在负载角控制器（g）中计算负载角的量度（V_q），所述负载角的量度（V_q）是所述定子通量与指示所述转子（5）的旋转轴的转子通量之间的角，其中，关于期望的电动机转矩（T_ref）或关于小于所述期望的电动机转矩的减小的电动机转矩（T_lim）的信息被输入至所述负载角控制器（g），并且其中，所述负载角控制器（g）根据所输入的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度；

-组合所述通量大小的所述量度（V_d）和所述负载角的所述量度（V_q），以获得信号

所述信号

用于获得用于控制所述定子的电磁体的电流，从而直接控制所述定子通量的命令；

-重复计算通量极限值（Ψ_lim），所述通量极限值取决于所述电动机（1）容许的所述定子通量的预定最大值（Ψ_max），取决于用于驱动通过所述定子电磁体（7、9）的电流的电压的最大值，并且取决于实际转子速度；

-在所述定子通量小于所述电动机容许的最大通量（Ψ_max）时所述转子（5）的加速期间：

●根据预定函数（f₀(T)）的输出来计算所述通量大小的所述量度（V_d），其中，所述预定函数的所述输出取决于所述期望的电动机转矩（T_ref）并对应于使用最小的可能定子电流得到所述期望的电动机转矩的所述定子通量的所述大小；以及

●根据所述期望的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度（V_q），

其中，在所述定子通量已经达到所述电动机容许的所述最大通量时，在所述转子（5）的进一步加速期间，通过如下操作来控制所述同步电动机（1）：

●计算对应于所述通量极限值的所述通量大小的所述量度；以及

●根据所述期望的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度，使得所述定子通量在所述电动机容许的所述最大通量处保持恒定且在所述期望的电动机转矩增大时，所述负载角也增大。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在通过所述定子的所述电磁体的所述电流的大小已经达到预定最大值时，在所述转子（5）的进一步加速期间，通过如下操作来控制所述同步电动机（1）：

●根据所述减小的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度，使得所述电流连续匹配所述预定最大值，并使得在所述定子通量减小时所述负载角增大。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述电动机转矩已经达到预定最大值时，在所述转子（5）的进一步加速期间，通过如下操作来控制所述同步电动机（1）：

●根据所述减小的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度，其中，所述减小的电动机转矩被限制于所述预定最大值，使得所述电流减小，并使得所述定子通量减小。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中，在所述期望的转矩减小时，在所述转子（5）的进一步加速期间，通过如下操作来控制所述同步电动机（1）：

●计算对应于恒定通量值的所述通量大小的所述量度；以及

●根据所述期望的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度，使得所述定子通量被限制于所述通量极限值并且所述负载角减小。

5.如权利要求1到3中的任一项所述的方法，其中，所述同步电动机（1）是轨道车辆的推进电动机，并且其中，所述方法是在所述轨道车辆内执行的。

6.一种用于操作同步电动机（1）的设备，所述同步电动机（1）具有包括一组电磁体（7、9）的定子（3）并具有永磁体转子（5），其中，所述设备包括：

-通量控制器（f），用于通过计算通量大小的量度（V_d）来控制所述电动机（1），所述通量大小的量度（V_d）是所述电动机（1）的定子通量的大小；

-负载角控制器（g），用于通过计算负载角的量度（V_q）来控制所述电动机（1），所述负载角的量度（V_q）是所述定子通量与指示所述转子（5）的旋转轴的转子通量之间的角；

-所述负载角控制器（g）包括用于接收关于电动机转矩的信息的输入端，所述电动机转矩是期望的电动机转矩（T_ref）或小于所述期望的电动机转矩的减小的电动机转矩（T_lim），并且其中，所述负载角控制器（g）被配置为根据所输入的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度；

-组合装置（h），用于组合所述通量大小的所述量度（V_d）和所述负载角的所述量度（V_q），以获得信号

所述信号

用于获得用于控制所述定子（3）的所述电磁体（7、9）的电流，从而直接控制所述定子通量的命令；

-通量极限计算装置（a），用于重复计算通量极限值（Ψ_lim），所述通量极限值取决于所述电动机（1）容许的所述定子通量的预定最大值（Ψ_max），取决于用于驱动通过所述定子电磁体（7、9）的电流的电压的最大值，并且取决于实际转子速度；

-其中，在所述定子通量小于所述电动机容许的最大通量时，所述设备被配置为执行如下操作以对所述转子（5）进行加速：

●根据预定函数（f₀(T)）的输出来计算（b）所述通量大小的所述量度（V_d），其中，所述预定函数的所述输出取决于所述期望的电动机转矩（T_ref）并对应于使用最小的可能定子电流得到所述期望的电动机转矩的所述定子通量的所述大小；以及

●根据所述期望的电动机转矩（T_ref）来计算所述负载角的所述量度（V_q），

其中，在所述定子通量已经达到所述电动机容许的所述最大通量时，所述设备被配置为执行如下操作以对所述转子（5）进行进一步加速：

●计算对应于所述通量极限值的所述通量大小的所述量度；以及

●根据所述期望的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度，使得所述定子通量在所述电动机容许的所述最大通量处保持恒定且在所述期望的电动机转矩增大时，所述负载角也增大。

7.如权利要求6所述的设备，其中，在通过所述定子的所述电磁体的所述电流的大小已经达到预定最大值时，所述设备被配置为执行如下操作以对所述同步电动机（1）的所述转子（5）进行进一步加速：

●根据所述减小的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度，使得所述电流连续匹配所述预定最大值，并使得在所述定子通量减小时所述负载角增大。

8.如权利要求7所述的设备，其中，在所述电动机转矩已经达到预定最大值时，所述设备被配置为执行如下操作以对所述同步电动机（1）的所述转子（5）进行进一步加速：

●根据所述减小的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度，其中，所述减小的电动机转矩被限制于所述预定最大值，使得所述电流减小，并使得所述定子通量减小。

9.如权利要求7或8所述的设备，其中，在所述期望的转矩减小时，所述设备被配置为执行如下操作以对所述转子（5）进行进一步加速：

●计算对应于恒定通量值的所述通量大小的所述量度；以及

●根据所述期望的电动机转矩来计算所述负载角的所述量度，使得所述定子通量被限制于所述通量极限值并且所述负载角减小。

10.一种轨道车辆的推进系统，其中，如权利要求6到9中的任意一项所述的设备是所述推进系统的一部分并被配置为对作为所述轨道车辆的推进电动机的同步电动机（1）进行控制。

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