CN102868339A - 用于运行内置式永磁同步电机的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于运行内置式永磁同步电机的装置，其用于在包括测量所述内置式永磁同步电机的转子的位置和转速的检测器的系统中通过接收弱磁控制区域I的第一电流指令来运行内置式永磁同步电机，所述装置包括：反馈单元，其将过调电压信息传送至校正单元；校正单元，其利用转子转速和所述过调电压信息以将所述第一电流指令校正为弱磁控制区域II的第二电流指令；控制单元，其控制所述第二电流指令以输出电压；第一限制单元，其将所述控制单元的输出限制在能够由逆变器单元合成的最大电压；以及逆变器单元，其利用电压限制单元的输出将用于跟踪指令转矩的三相电压指令施加至所述内置式永磁同步电机。

Description

用于运行内置式永磁同步电机的装置

技术领域

本公开涉及一种电机驱动装置，特别涉及一种用于以高于额定转速的转速运行内置式永磁同步电机的驱动装置。

背景技术

在此发明的背景技术部分中公开的信息仅用于加强对于本发明的背景技术的理解而不应被视为承认或者是任何形式的暗示：该信息构成了对于本领域的技术人员来说是已知的现有技术。

永磁同步电机（PMSM）是一种大功率且高效能的电机，其在包括混合动力车辆以及燃料电池车辆等的电动车辆领域以及其他产业中作为牵引电机被广泛地使用。

特别地，内置式永磁同步电机（IPMSM）是一种具有插设在转子铁心中的永磁体的同步电机。IPMSM具有良好的高速耐久性和可驱动性，并且因此适于作为电动车辆电机使用。在本申请领域中，IPMSM以转矩控制模式驱动，在该模式中实施矢量控制以独立控制磁通电流和转矩电流。

此外，用于电动车辆或者混合动力车辆的IPMSM的转子驱动转速范围非常广泛甚至包括驱动区域中的弱磁控制区域II。弱磁控制区域II限定了其中IPMSM的电压极限椭圆的中心位于电流极限圆内部的情形。

在弱磁控制区域II中，仅电压限制条件会对IPMSM的驱动限制条件产生影响，并且由于限制了逆变器的直流母线电压的大小，从输出转矩的角度，电压限制条件的最大使用是有利的。

图1为图示了根据现有技术的内置式永磁同步电机的驱动系统的框图，其中该系统由逆变器驱动，该逆变器通过独立于指令转矩控制磁通电流和转矩电流的矢量控制来实施。

常规的驱动系统包括逆变器101，IPMSM102以及附接于IPMSM的转子的转子位置检测器103。

逆变器101接收指令转矩以输出能够由指令转矩驱动的电压Vas、Vbs、Vcs，并且所述转子位置检测器103计算或测量转子位置或转子转速。

由转子位置检测器103计算或测量出的转子位置被用于由坐标转换器106、110进行坐标改变，并且转子转速被电流指令生成器104使用。

所述电流指令生成器104响应于指令转矩、转子转速以及逆变器的直流母线电压输出关于同步参考帧的电流指令。对于IPMSM，所述电流指令生成器104通常使用两个或更多的2D查表，其中查表输出相对于整个驱动区域的关于同步参考帧的d轴电流指令和q轴电流指令。

电流调节器105用于控制从电流指令生成器104获得的电流指令以输出关于同步参考帧的d轴电压和q轴电压。

坐标转换器106利用由转子位置检测器103获得的转子位置信息以将电流控制单元105的输出电压转换为关于固定参考帧的电压。

电压限制器107利用电压极限六边形的内切圆将坐标转换器106的电压转换为能够由逆变器单元108合成的电压。电压限制器107的电压限制条件由直流母线电压确定，并且位于电压极限六边形的内切圆外部的电压被防止输出且停留在电压极限六边形的内切圆上。

逆变器单元108为一种电压型逆变器，其包括诸如IGBT（绝缘栅双极晶体管）或MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的功率半导体并且向IPMSM102提供用于跟踪（follow）指令转矩的电压指令Vas、Vbs、Vcs。

电流传感器109被插设于IPMSM102和逆变器108之间以测量施加至IPMSM102的相电流，并且响应于坐标转换器110的坐标转换将由电流传感器109测量出的电流作为反馈返回至电流指令生成器104以及电流控制单元105。

图2为图示了图1的IPMSM的驱动区域的示例性的视图，其中A为恒定转矩曲线，并且相对于恒定指令转矩的关于同步参考帧的d轴和q轴上的电流可具有无限组合，B为逆变器的电流限制条件，C、D和E是响应于转子转速的电压限制条件的示例，其中电压限制条件由转子转速改变，并且转子转速的增加使得电流限制椭圆的大小朝向于F方向减小。

相对于恒定指令转矩能够由逆变器101控制的关于同步参考帧的d轴和q轴电流的大小被确定在同时满足电流限制条件和电压限制条件的范围内。在电压裕度（voltage margin）足够大的情况下，电压限制条件不受限制条件的影响，这样在IPMSM的效能方面将有利于跟踪驱动MTPA（最大转矩电流比）的电流指令。

例如，假如给出了预定转矩指令A，并且给出的电压限制条件为C，则跟踪指令转矩的电流指令被确定在G处，其中G为用于满足MTPA的驱动点，并且仅电流限制条件影响驱动点的区域被限定为恒定转矩区域。

在转子转速增加以使得电压限制条件从C移动至D的情况下，因为G为不能受逆变器控制的电流区域，驱动点沿箭头方向从G移动至H。这里，如在其中驱动点从G移动至H的区域中，其中电压限制条件和电流限制条件均影响驱动点的区域被限定为弱磁控制区域I。

在转子转速进一步增加以使得电压限制条件从D移动至E的情况下，电流限制条件不再能够影响驱动区域，并且仅电压限制条件能够影响驱动点。

这里，其中仅电压限制条件影响驱动点的区域被限定为弱磁控制区域II。在弱磁控制区域II处的驱动点沿箭头方向从H移动至I。

关于IPMSM102的同步参考帧的电压等式被提供为如下：

【等式1】

$V_{\mathrm{ds}}^r=R_s{i}_{\mathrm{ds}}^r+L_{\mathrm{ds}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ds}}^r}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{qs}}^r$

【等式2】

$V_{\mathrm{qs}}^r=R_s{i}_{\mathrm{qs}}^r+L_{\mathrm{qs}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qs}}^r}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ds}}^r$

其中，上标‘r’为同步参考帧，下标‘s’为固定参考帧的变量，‘ω_r’为转子的角速度，和

分别为关于同步参考帧的定子的d轴电流和q轴电流，

和

分别为关于同步参考帧的定子的d轴电压和q轴电压，

和

分别为关于同步参考帧的定子的d轴转子磁通和q轴转子磁通，R_s、L_ds和L_qs分别为定子阻抗以及定子的d轴电感和q轴电感。

IPMSM102的驱动限制条件被分成电压限制条件和电流限制条件并且表示为如下：

【等式3】

${\left(V_{\mathrm{ds}}^r\right)}^2+{\left(V_{\mathrm{qs}}^r\right)}^2\≤{\left(V_{s,\max }\right)}^2$

【等式4】

${\left(I_{\mathrm{ds}}^r\right)}^2+{\left(I_{\mathrm{qs}}^r\right)}^2\≤{\left(I_{s,\max }\right)}^2$

其中，V_s,max定义为可由逆变器101合成的最大电压的大小，以及I_s,max定义为IPMSM102的最大或额定电流，V_s,max为可由逆变器10合成并且受直流母线电压‘V_dc’的大小影响的最大电压，并且在电压限制条件如在图1的电压限制器107中通过电压极限六边形的内切圆来选择的情况下，V_s,max可具有如下值。

【等式5】

$V_{s,\max }=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}}$

如从上文注意到的，弱磁控制区域II中的IPMSM102在能够输出在最大转矩处的有效电压的MTPV（最大转矩电压比）下被驱动。

电流指令的移动过程是这样的：使得IPMSM102的电感通过电流的大小饱和以具有非线性的关系。因此，IPMSM的驱动是这样的：使得IPMSM的特性曲线预先（离线）被测量以制备至少两个或更多的2D查表，因此图1中的电流指令生成器104响应于恒定转矩、驱动转速以及直流母线电压而生成关于同步参考帧的电流指令。

2D查表利用转矩指令和磁通信息作为输入以生成关于同步参考帧的d轴和q轴的电流指令。此时，通过用直流母线电压除以转子转速来获得磁通信息。

图3为图示了根据现有技术的2D查表的示意性视图。

参见图3，2D查表301、302接收来自磁通计算单元303的指令转矩以及输入以输出关于同步参考帧的d轴电流指令和q轴电流指令。

坐标转换器110和图1中的电流指令生成器104的反馈电流被输入到电流限制器105。所述电流限制器105为按照以下等式合成输出电压的比例积分控制器。

【等式6】

$V_{\mathrm{ds}}^{r*}=(K_{\mathrm{pd}}+\frac{K_{\mathrm{id}}}{s})(i_{\mathrm{ds}\_\mathrm{ref}}^r-i_{\mathrm{ds}}^r)-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{qs}}^r$

【等式7】

$V_{\mathrm{qs}}^{r*}=(K_{\mathrm{pd}}+\frac{K_{\mathrm{iq}}}{s})(i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{ref}}^r-i_{\mathrm{qs}}^r)-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ds}}^r$

坐标转换器106利用以下等式将关于同步参考帧的电流限制器105的输出电压转换为关于固定参考帧的电压。

【等式8】

$V_{\mathrm{ds}}^{s*}=V_{\mathrm{ds}}^{r*}\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{qs}}^{r*}\sin \mathrm{\θ}$

【等式9】

$V_{\mathrm{qs}}^{s*}=V_{\mathrm{ds}}^{r*}\cos \mathrm{\θ}+V_{\mathrm{qs}}^{r*}\sin \mathrm{\θ}$

电压限制器107限制坐标转换器106的电压并输出电压，以使得电压指令能够存在于由关于固定参考帧的六边形表示的电压限制条件的内切圆内，并且逆变器单元108对来自电压限制器107的以下等式中的电压进行合成并且将该电压供给至IPMSM 102。

【等式10】

$V_{\mathrm{as}}=V_{\mathrm{ds}}^s$

【等式11】

$V_{\mathrm{bs}}=-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{ds}}^s+\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{\mathrm{qs}}^s$

【等式12】

$V_{\mathrm{cs}}=-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{ds}}^s-\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{\mathrm{qs}}^s$

电流传感器109a-109c测量逆变器单元108和IPMSM 102之间的相电流。坐标转换器110利用以下等式将该相电流转换为关于同步参考帧的电流并且向电流限制器105提供这个电流以作为反馈。

【等式13】

$i_{\mathrm{ds}}^s=\frac{2i_{\mathrm{as}}-i_{\mathrm{bs}}-i_{\mathrm{cs}}}{3}$

【等式14】

$i_{\mathrm{qs}}^s=\frac{i_{\mathrm{bs}}-i_{\mathrm{cs}}}{2}$

【等式15】

$i_{\mathrm{ds}}^r=i_{\mathrm{ds}}^s\cos \mathrm{\θ}+i_{\mathrm{qs}}^s\sin \mathrm{\θ}$

【等式16】

$i_{\mathrm{qs}}^r=-i_{\mathrm{ds}}^s\sin \mathrm{\θ}+i_{\mathrm{qs}}^s\cos \mathrm{\θ}$

然而，存在这样的问题：由于电流指令生成器104利用预先测量出的查表导致IPMSM的主体参数（subject parameter）改变，因此图1的IPMSM驱动系统的性能劣化。

此外，另一个存在的问题是，即使IPMSM的主体参数没有改变，因为查表确定了整个驱动区域的性能，所以电机的驱动性能由查表的性能确定。

又一个存在的问题是：因为由逆变器合成的电压量受到电压极限六边形的内切圆的限制，所以逆变器电压利用率降低从而减小了输出转矩。

因此，期望通过提供一种改进的用于运行内置式永磁同步电机的装置以解决上述以及其他问题。

发明内容

本部分提供了对于本公开的一般性概括，而不作为其全部范围或者其所有技术特征的全面公开。

本公开致力于解决现有技术的上述问题，并且因此本发明的特定实施例的目的在于提供一种在高速驱动IPMSM的过程中通过减少对于查表的依赖使参数稳定地变化的用于运行内置式永磁同步电机的装置，其增加了逆变器的电压利用率，最大程度地跟踪指令转矩并生成最大程度地跟踪指令转矩的电流指令。

在本公开的一个总体方案中，提供了一种用于在包括测量内置式永磁同步电机（IPMSM）的转子的转速和位置的检测器的系统中通过接收弱磁控制区域I的第一电流指令来运行IPMSM的装置，该装置包括：反馈单元，其将过调电压信息传送至校正单元；校正单元，其利用转子转速和所述过调电压信息以将所述第一电流指令校正为弱磁控制区域II的第二电流指令；控制单元，其控制所述第二电流指令以输出电压；第一限制单元，其将所述控制单元的输出限制在能够由逆变器单元合成的最大电压；以及逆变器单元，其利用电压限制单元的输出将用于跟踪指令转矩的三相电压指令施加至IPMSM。

优选地，但不是必需地，所述装置还包括第一转换单元，其利用接收自所述检测器的转子的位置信息将关于同步参考帧的控制单元的电压转换为关于固定参考帧的电压并将转换后的电压输出至所述第一限制单元。

优选地，但不是必需地，所述装置还包括电流传感器，所述电流传感器测量从所述逆变器单元输出至IPMSM的相电流。

优选地，但不是必需地，所述装置还包括第二转换单元，所述第二转换单元将接收自所述电流传感器的关于固定参考帧的相电流转换为关于同步参考帧的电流并且将转换后的电流提供至所述校正单元和所述控制单元。

优选地，但不是必需地，所述反馈单元将所述控制单元的输出与由所述逆变器单元合成的电压之间的过调电压反馈至所述校正单元。

优选地，但不是必需地，所述反馈单元对所述过调电压的大小进行积分以及高通滤波，并将高通滤波后的大小传送至所述校正单元。

优选地，但不是必需地，所述校正单元包括处理单元以及第二限制单元，所述处理单元校正第一电流指令以生成在弱磁控制区域II的情形下的第二电流指令，所述第二限制单元通过所述第二电流指令来限制电流的大小。

优选地，但不是必需地，所述处理单元包括：判定单元，其确定弱磁控制区域II；确定单元，其确定电流指令的校正的方向；计算单元，其利用电流转子转速和最大转子转速来计算比例增益；第三限制单元，其限制电流变化的大小；部分限定单元（section defining unit），其限定了用于划分弱磁控制区域I和弱磁控制区域II的磁滞部分；以及加法单元，其通过将参考电流与部分限定单元的输出相加而输出第二电流指令。

优选地，但不是必需地，所述第二限制单元将所述第二电流指令限制在能够由所述逆变器单元输出的电流范围。

优选地，但不是必需地，所述第二限制单元相对于第二电流指令向关于同步参考帧的d轴电流提供优先级，优先地将d轴电流输出在额定电流的大小之内，并且将从额定电流中减去d轴的电流的大小的差值选择作为q轴电流指令的允许范围。

优选地，但不是必需地，所述第一限制单元通过利用电压极限六边形来限制控制单元的输出。

根据本公开的用于运行内置式永磁同步电机的装置具有以下有益效果：利用在电流控制单元的输出电压与能够由逆变器单元实际合成的电压之间的差值使两个电压之间的差值最小化并且免除了预先制备的查表，所有的电压极限六边形都被用于相对于由逆变器单元合成的电压大小增加逆变器单元的直流母线电压利用率，并且朝使转矩保持在预定水平的方向校正电流指令，因此，即使当IPMSM以高速被驱动时也能够跟踪最大转矩。

在附属的独立的和从属的权利要求中阐述了本公开的特定的和优选的方案。从属权利要求的特征可与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征进行组合，这些特征也是适当的而非仅仅在权利要求书中被明确阐述的。

尽管在本领域的设备已经被不断地改进、变化和发展，但是我们确信本发明构思代表了本质上为新的并且具有新颖性的改进，其包括现有经验的变化，从而提供了这种性质的更高效、稳定和可靠的设备。

通过下述详细描述的说明书，结合通过示例的方式解释了本发明的原理的附图，本公开的上述的和其他的特性、特征和优点将变得显而易见。给出的说明书仅仅是用于举例的目的，而非限制本发明的范围。下文引用的参照图指的是附图。

附图说明

为了解释本公开的原理，为了图示、例示以及说明的目的，在下文中呈现了与其优选实施例相关的一些附图，但是它们并非旨在为详尽性的。仅通过示例，而不是通过限定，附图描述了根据本构思的一个或多个示例性实施例。在附图中，相似的附图标记表示相同的或类似的元件。

因此，通过以下参照示例性附图的对于特定示例性实施例的详细说明，可以更加容易地理解多种潜在实用且有用的实施例，在附图中：

图1为图示了根据现有技术的IPMSM的示例性框图；

图2为图示了图1的IPMSM的驱动区域的示例性的视图；

图3为图示了根据现有技术的2D查表的示意性框图；

图4为图示了根据本公开的示例性实施例的用于运行IPMSM的装置的示意性框图；

图5为图示了根据本公开的示例性实施例的等式25的构思的示意图；

图6为图示了根据本公开的示例性实施例的图4的电流指令校正单元的详细构造图；

图7为图示了根据本公开的示例性实施例的图6的电流指令处理单元的详细构造图；以及

图8为图示了根据本公开的示例性实施例的图6的电流指令限制单元的详细构造图。

具体实施方式

通过参照附图的图1至图8，可以很好地理解所公开的实施例及其优点，相似的附图标记用于各个附图中相似的和相应的部件。对于本领域的普通技术人员来说，在查阅以下附图和详细描述时，公开的实施例的其他特征和优点将是或者将变得明显。其旨在使所有这种附加的特征和优点均被包括在所公开的实施例的范围内，并被附图保护。此外，图示的附图仅为示例性的并且不旨在主张或暗示对于可实施不同的实施例的环境、结构或过程的任何限制。因此，所描述的方案旨在包含落在本发明的精神和新颖构思内的所有这种替代、改进以及变化。

与此同时，在此使用的术语仅仅用于描述特殊实施方式的目的而不旨在作为对本公开的限定。这里，术语“第一”、“第二”等类似的术语不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来区分一个元件和另一个元件。例如，第二组成元件可被表示为第一组成元件而不会脱离本公开的范围和精神，并且类似地，第一组成元件也可被表示为第二组成元件。

如此处所使用的，这里，术语“一”、“一个”并不指示数量的限制，而是指示存在至少一个所指项。也就是说，如此处所使用的，除非上下文另外清楚地指出，单数形式“一”，“一个”和“这个（the）”均旨在还包括复数形式。

可以理解的是，当元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，其可直接地连接或联接到另一元件或者可存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。

还将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”或者“包含”和/或“包含有（including）”时，这些术语指定了所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件、和/或其群组的存在或附加。

而且，“示例性”仅仅意在指示例，而不是最佳的。还应当了解的是，为了简洁且易于理解的目的，在此所描述的特征、层和/或元件均图示为相对于彼此的特定尺寸和/或定向，并且实际的尺寸和/或定向可大体上不同于所图示的尺寸和/或定向。

也就是说，在附图中，为了清晰起见可以扩大或缩小层、区域和/或其他元件的大小和相对大小。在整个说明书中相似的附图标记指代相似的元件并且将省略相同的说明。如在此可使用的，术语“大致上”和“大约”为其相应的术语提供了工业上可接受的容限和/或物件之间的相对性。

在下文中，将参照附图详细描述根据本公开的用于运行IPMSM的装置。

图4为图示了根据本公开的示例性实施例的用于运行IPMSM的装置的示例性框图。

参见图4，用于运行IPMSM的装置包括逆变器10以及转子位置检测器30，逆变器10包括电流指令校正单元11、电压反馈单元12、电流控制单元13、电压坐标转换器14、电压限制器15、逆变器单元16、电流传感器17a-17c、以及电流坐标转换器18。

逆变器10接收弱磁控制区域I的电流指令，并且输出电压Vas、Vbs、Vcs，通过该电压IPMSM20可被电流指令驱动。

IPMSM20的转子设置有转子位置检测器30以计算或测量转子位置和转子转速。由转子位置检测器30测量出的转子位置被用于第一坐标转换器15和第二坐标转换器19的坐标转换，其中转子转速被输入至电流指令校正单元12中。

电流指令校正单元11对电流指令进行校正以允许来自弱磁控制区域I的IPMSM20以高速稳定地运行，在下文中将提供其详细的描述。

电压反馈单元12用于计算由电流指令校正单元11使用的反馈电压信息。电压反馈单元12起到传送过调电压信息的功能以获得第一坐标转换器14和电压限制器15之间的输出电压的差值。

电流控制单元13用于限制电流指令，以输出关于同步参考帧的d轴电压和q轴电压，该电流指令为电流指令校正单元11的输出。电流控制单元13为比例积分（PI）控制单元但并不局限于此。

第一坐标转换器14利用由转子位置检测器30获得的转子的位置信息以将电流控制单元13的输出电压转换为关于固定参考帧的电压。电压限制器15利用电压极限六边形将第一坐标转换器14的输出电压限制在能够由逆变器单元16合成的电压。电压限制器15所利用的电压极限六边形为能够由逆变器单元16合成的最大电压，借此电压极限六边形可以使逆变器单元16的电压利用率最大化。

在第一坐标转换器14的输出电压位于电压限制器15的电压极限六边形的外部的情况下，由逆变器单元16合成的电压存在于电压限制器15的六边形上，同时不会输出电压坐标转换器14的电压。

逆变器单元16为电压型逆变器，其包括诸如IGBT（绝缘栅双极晶体管）或功率MOSFET（金属氧化物硅场效应晶体管）的功率半导体器件并且向IPMSM20施加用于跟踪电流指令的电压指令Vas、Vbs、Vcs。

电流传感器17a-17c测量IPMSM20和逆变器单元16之间的相电流。响应于第二坐标转换器18的坐标转换将由电流传感器17a-17c测量出的电流作为反馈返回至电流控制单元13和电流指令校正单元11。第二坐标转换器18用于将由电流传感器17a-17c测量出的关于固定参考帧的相电流转换为关于同步参考帧的相电流。

图1的常规的驱动系统与图4的运行装置之间的差别可以两个词语概括。也即是，电流指令校正和最终输出电压合成，电流指令校正为电流控制单元105和电流控制单元13的输入，最终输出电压合成施加在逆变器单元108和逆变器单元16上。

在图1的常规系统中，电流控制单元105的指令电流是基于转子转速通过电流指令生成器104的转矩指令、逆变器单元108的直流母线电压和至少两个或更多的2D查表得到的，但是在本发明的运行装置中，电流控制单元13的指令电流是由电流指令校正单元11计算出的。

此外，在常规系统中施加至逆变器单元108的最终输出电压的情形下，所述最终输出电压由电压极限六边形的内切圆控制，但是在本发明中电压极限六边形被用于限制最终输出电压。因此，由本发明的运行装置合成的电压的大小变得比图1的常规系统的电压相对更大以增加逆变器的电压利用率并同时增大输出转矩。

现在，将描述基于图4的本发明的运行装置的电流指令校正。首先，下文提供了识别弱磁控制区域I与弱磁控制区域II的条件：

【等式17】

$-\frac{{\∂T}_e}{{\∂i}_{\mathrm{ds}}^r}\frac{\∂{\left|{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dqs}}^r\right|}^2}{{\∂i}_{\mathrm{qs}}^r}+\frac{{\∂T}_e}{{\∂i}_{\mathrm{qs}}^r}\frac{\∂{\left|{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dqs}}^r\right|}^2}{{\∂i}_{\mathrm{ds}}^r}=0$

可以通过以下等式得到IPMSM 20的转矩和磁通：

【等式18】

$T_e=\frac{3}{2}\frac{P}{2}[(L_{\mathrm{ds}}-L_{\mathrm{qs}})i_{\mathrm{ds}}^r+{\mathrm{\λ}}_f]i_{\mathrm{qs}}^r$

【等式19】

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ds}}^r=L_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{ds}}^r+{\mathrm{\λ}}_f$

【等式20】

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{qs}}^r=L_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{qs}}^r$

等式21可从等式18得到。

【等式21】

$(-\frac{{\∂T}_e}{{\∂i}_{\mathrm{qs}}^r},\frac{{\∂T}_e}{{\∂i}_{\mathrm{ds}}^r})=\frac{3}{2}\frac{P}{2}(-(L_{\mathrm{ds}}-L_{\mathrm{qs}})i_{\mathrm{ds}}^r-{\mathrm{\λ}}_{f^{\′}}(L_{\mathrm{ds}}-L_{\mathrm{qs}})i_{\mathrm{qs}}^r)$

此外，可如下定义等式21的归一化（normalization）：

【等式22】

$(X_{\mathrm{norm}},Y_{\mathrm{norm}})=\frac{1}{\sqrt{{[(L_{\mathrm{ds}}-L_{\mathrm{qs}})i_{\mathrm{ds}}^r+{\mathrm{\λ}}_f]}^2+{\left[(L_{\mathrm{ds}}-L_{\mathrm{qs}})i_{\mathrm{qs}}^r\right]}^2}}[-(L_{\mathrm{ds}}-L_{\mathrm{qs}})i_{\mathrm{ds}}^r-{\mathrm{\λ}}_{f^{\′}}(L_{\mathrm{ds}}-L_{\mathrm{qs}})i_{\mathrm{qs}}^r]$

可从等式19和20得到以下等式。

【等式23】

$(-\frac{\∂{\left|{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dqs}}^r\right|}^2}{{\∂i}_{\mathrm{ds}}^r},-\frac{\∂{\left|{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dqs}}^r\right|}^2}{{\∂i}_{\mathrm{qs}}^r})=(-2L_{\mathrm{ds}}(L_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{ds}}^r+{\mathrm{\λ}}_f),-2L_{\mathrm{qs}}\left(L_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{qs}}^r\right))$

可如下定义等式23的归一化：

【等式24】

$(V_{\mathrm{norm}},W_{\mathrm{norm}})=\frac{1}{\sqrt{{\left[L_{\mathrm{ds}}(L_{\mathrm{ds}}+i_{\mathrm{ds}}^r)i_{\mathrm{ds}}^r\right]}^2+{\left[L_{\mathrm{qs}}\left(L_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{qs}}^r\right)\right]}^2}}(-L_{\mathrm{ds}}(L_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{ds}}^r+{\mathrm{\λ}}_f),-L_{\mathrm{qs}}\left(L_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{qs}}^r\right))$

识别弱磁控制区域I和弱磁控制区域II的等式可如下文由等式22和等式24的内积得到：

【等式25】

(X_norm,Y_norm)·(V_norm,W_norm)＝|(X_norm,Y_norm)‖(V_norm,W_norm)|cosθ＝cosθ

图5为解释根据本公开的示例性实施例的等式25的构思的示意图。

J为等式18的恒定转矩线，K为电流极限圆，L为电压极限椭圆，以及M解释了与等式25的关系。

如果等式25满足以下等式26的条件，则IPMSM20的驱动区域被识别为从弱磁控制区域I变为弱磁控制区域II。

【等式26】

|(X__norm,Y__norm)·(V__norm,W__norm)|＝|cosθ|≤ε

现在，将解释根据本发明的电流指令校正。

为了增大在IPMSM20的弱磁控制区域II中逆变器单元16的电压利用率，图4中的电流指令校正单元11对IPMSM20的弱磁控制区域I的电流指令进行合成以输出关于同步参考帧的d轴电流指令和q轴电流指令。

此时，如果等式26的条件未被满足，则不实施电流指令校正，并且仅在等式26的条件被满足时实施电流指令校正。

从图4的电压反馈单元12返回的过调电压的大小可由以下等式27得到。此时，由逆变器单元16合成的电压的大小是这样的：使得电压限制器15受到电压极限六边形的限制以增加逆变器单元16的电压利用率。

【等式27】

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{mag}}=\sqrt{{(V_{\mathrm{ds}}^{s*}-V_{\mathrm{ds}}^s)}^2+{(V_{\mathrm{qs}}^{s*}-V_{\mathrm{qs}}^s)}^2}=\sqrt{{(V_{\mathrm{ds}}^{r*}-V_{\mathrm{ds}}^r)}^2+{(V_{\mathrm{qs}}^{r*}-V_{\mathrm{qs}}^r)}^2}$

此时，等式27具有以下关系。

【等式28】

$V_{\mathrm{ds}}^{s*}=V_{\mathrm{ds}}^{r*}\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{qs}}^{r*}\sin \mathrm{\θ}$

【等式29】

$V_{\mathrm{qs}}^{s*}=V_{\mathrm{ds}}^{r*}\sin \mathrm{\θ}+V_{\mathrm{qs}}^{r*}\cos \mathrm{\θ}$

【等式30】

$V_{\mathrm{ds}}^s=V_{\mathrm{ds}}^r\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{qs}}^r\sin \mathrm{\θ}$

【等式31】

$V_{\mathrm{qs}}^s=V_{\mathrm{ds}}^r\sin \mathrm{\θ}+V_{\mathrm{qs}}^r\cos \mathrm{\θ}$

电流指令校正单元11所利用的电压可由等式32得到，其中等式27为积分并且高通滤波的。

【等式32】

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{mod}}=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{mag}}$

图6为图示了根据本公开的示例性实施例的图4的电流指令校正单元的详细构造图。

参见图6，本公开的电流指令校正单元11包括电流指令处理单元61和电流指令限制单元62。

电流指令处理单元61起到以下作用：其校正弱磁控制区域I的电流指令以生成弱磁控制区域II的电流指令，并且电流指令限制单元62用于通过由电流指令校正单元61校正的电流指令来限制电流的大小。

现在，将以如下方式描述电流指令处理单元61的操作。

由根据本公开的运行装置进行的所述电流指令校正是为了增加在弱磁控制区域II中的电压利用率。此外，在弱磁控制区域II中的电流指令的方向面向电压极限椭圆的中心，以使得该方向与等式24的方向相同。另外，使得在电流指令过程中校正的大小满足与等式27的过调电压的大小成比例，其通过以下等式定义。

【等式33】

$i_{\mathrm{ds}\_\mathrm{mod}}^r=i_{\mathrm{ds}\_\mathrm{ref}\_\mathrm{fw}1}^r+{\mathrm{\α}}_1\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{mag}}{V}_{\mathrm{norm}}$

【等式34】

$i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{mod}}^r=i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{ref}\_\mathrm{fw}1}^r+{\mathrm{\α}}_2\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{mag}}{W}_{\mathrm{norm}}$

其中α1和α2表示可变增益，其可被设置为按照以下等式与转速成比例：

【等式35】

${\mathrm{\α}}_1={\mathrm{\α}}_{\mathrm{mod}1}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rpm}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rpm},\max }}$

【等式36】

${\mathrm{\α}}_2={\mathrm{\α}}_{\mathrm{mod}2}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rpm}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rpm},\max }}$

其中，α_mod1和α_mod2表示任意比例增益，ω_rpm表示电流转子转速以及ω_rpm，max表示最大转子转速。

图7为图示了根据本公开的示例性实施例的图6的电流指令处理单元的详细构造图。

参见图7，根据本发明的电流指令处理单元61包括判定单元71、方向确定单元72a、72b、第一计算单元73a、73b、增益计算单元74a、74b、第一限制单元75a、75b、部分限定单元76a、76b以及加法单元77a、77b。

判定单元71判定弱磁控制区域。更特别地，如果根据等式26余弦函数的大小大于预定值，则判定单元71判定出对于弱磁控制区域II不实施电流校正。

方向确定单元72a、72b确定电流指令的校正的方向。第一计算单元73a、73b实施等式23的计算。增益计算单元74a、74b计算在等式35和36中的比例增益，并且第一限制单元75a、75b限制电流变化的大小。

部分限定单元76a、76b限定了用于划分弱磁控制区域I和弱磁控制区域II的磁滞部分。加法单元77a、77b通过将参考电流与部分限定单元76a、76b的输出相加而输出最终电流指令。

现在，将详细描述图6的电流指令限制单元。

由图6的电流指令处理单元61校正的电流指令必须存在于能够由逆变器单元16输出的电流范围内。

此时，电流指令的限制向d轴电流提供了优先级，并且由等式33校正的关于同步参考帧的d轴电流被优先地输出在额定电流的大小之内，其中q轴的电流指令将其中从额定电流中减去d轴电流的大小的差值选择作为允许范围。

图8为图示了根据本公开的示例性实施例的图6的电流指令限制单元的详细构造图。

参见图8，根据本公开的电流指令限制单元62包括第二限制器81、第二计算器82、第三计算器83以及第三限制器84。

第二限制器81以这样的方式限制：由加法单元77a输出的经校正的d轴电流存在于允许电流范围内。

第二计算器82通过允许电流和由第二限制器81输出的d轴电流来获得正q轴最大允许电流范围。

第三计算器83计算负q轴最大允许电流范围。第三限制器84基于第二计算器82及第三计算器83来限制q轴电流的大小。

根据本公开的IPMSM的弱磁控制区域II中的操作是利用电流控制单元13的输出电压与由逆变器单元16实际合成的电压之间的差值、通过电流指令的校正来实现的。

如从上文明显的是，根据本公开的用于运行内置式永磁同步电机的装置具有的工业适用性在于：利用电流控制单元的输出电压与由逆变器单元实际合成的电压之间的差值使两个电压之间的差值最小化，并且免除了预先制备的查表，所有的电压极限六边形都被用于相对于由逆变器单元合成的电压大小增加逆变器单元的直流母线电压利用率，并且朝使转矩保持在预定水平的方向校正电流指令，因此，即使当IPMSM以高速被驱动时也能够输出最大转矩。

更特别地，在本公开、附图和附属的权利要求的范围内对主题组合布置的组成部件和/或布置进行的各种变化和改进都是可能的。对于本领域的技术人员而言，除了对组成部件和/或布置的变化和改进以外，替代性使用也将是显而易见的。

Claims (11)

1.一种用于在包括测量所述内置式永磁同步电机的转子的位置和转速的检测器的系统中通过接收弱磁控制区域I的第一电流指令来运行内置式永磁同步电机的装置，所述装置包括：反馈单元，其将过调电压信息传送至校正单元；校正单元，其利用转子转速和所述过调电压信息以将所述第一电流指令校正为弱磁控制区域II的第二电流指令；控制单元，其控制所述第二电流指令以输出电压；第一限制单元，其将所述控制单元的输出限制在能够由逆变器单元合成的最大电压；以及逆变器单元，其利用电压限制单元的输出将用于跟踪指令转矩的三相电压指令施加至所述内置式永磁同步电机。

2.如权利要求1所述的装置，还包括第一转换单元，其利用接收自所述检测器的转子的位置信息将关于同步参考帧的控制单元的电压转换为关于固定参考帧的电压并将转换后的电压输出至所述第一限制单元。

3.如权利要求1所述的装置，还包括电流传感器，其测量从所述逆变器单元输出至所述内置式永磁同步电机的相电流。

4.如权利要求3所述的装置，还包括第二转换单元，其将接收自所述电流传感器的关于固定参考帧的相电流转换为关于同步参考帧的电流并且将转换后的电流提供至所述校正单元和所述控制单元。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述反馈单元将所述控制单元的输出与由所述逆变器单元合成的电压之间的过调电压反馈至所述校正单元。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述反馈单元对所述过调电压的大小进行积分以及高通滤波，并将高通滤波后的大小传送至所述校正单元。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述校正单元包括处理单元以及第二限制单元，所述处理单元校正所述第一电流指令以生成在所述弱磁控制区域II的情形下的所述第二电流指令；所述第二限制单元通过所述第二电流指令来限制电流的大小。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述处理单元包括：判定单元，其确定所述弱磁控制区域II；确定单元，其确定电流指令的校正的方向；计算单元，其利用电流转子转速和最大转子转速来计算比例增益；第三限制单元，其限制电流变化的大小；部分限定单元，其限定了用于划分所述弱磁控制区域I和所述弱磁控制区域II的磁滞部分；以及加法单元，其通过将参考电流与所述部分限定单元的输出相加而输出所述第二电流指令。

9.如权利要求7所述的装置，其中，所述第二限制单元将所述第二电流指令限制在能够由所述逆变器单元输出的电流范围。

10.如权利要求7所述的装置，其中，所述第二限制单元相对于所述第二电流指令向关于所述同步参考帧的d轴电流提供优先级，优先地将d轴电流输出在额定电流的大小之内，并且将从额定电流中减去d轴电流的大小的差值选择作为q轴电流指令的允许范围。

11.如权利要求1所述的装置，其中所述第一限制单元通过利用电压极限六边形来限制所述控制单元的输出。

Images