CN102868348A - 用于运行内置式永磁同步电机的装置 - Google Patents

Abstract

本公开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运行内置式永磁同步电机，该装置包括：输出单元，其基于指令转矩生成并输出驱动最大转矩电流比的电流指令；校正单元，其校正由输出单元输出的电流指令；反馈单元，其将过调电压信息传送至校正单元；控制单元，其控制电流指令以输出电压；第一限制单元，其利用能够由逆变器单元合成的最大电压限制控制单元的输出；以及逆变器单元，其利用所述第一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（IPMSM）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：该信息形成了对于本领域的技术人员来说是已知的现有技术。

由电压逆变器驱动的永磁同步电机（PMSM）以转速控制模式或转矩控制模式运行。所述转速控制模式用于驱动如升降机或起重机的提升荷载，或者驱动如风扇或泵的可变转速荷载，转矩控制模式起到驱动电动车辆的牵引电机的作用。

一般情况下，转速控制器的输出在转速控制模式下以转矩指令提供，并且永磁同步电机（PMSM）的转速控制模式包括转矩控制模式。因此，所有的转速控制模式和转矩控制模式均通过转矩指令获得电流指令并且实施电流控制，由此控制所述PMSM。

所述电压逆变器在受限的直流母线电压与受限的电流条件下实施电流控制以跟踪转矩指令。然而，在需要PMSM的高速驱动的情形下，由于受限的直流母线电压与受限的电流条件，在跟踪转矩指令方面存在问题。

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、IPMSM 102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通常利用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）的功率半导体器件并且向IPMSM 102提供用于跟踪指令转矩的电压指令Vas、Vbs、Vcs。

电流传感器109被插设于IPMSM 102与逆变器108之间以测量施加至IPMSM 102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。

关于IPMSM 102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。

IPMSM 102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IPMSM 102的最大或额定电流。

图2为图示了图1中的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为如上述等式4中所示的逆变器的电流限制条件，以及C和D为如上述等式3中所示的响应于转子转速的电压限制条件的示例。

在IPMSM 102的驱动区域中电压限制条件响应于转子转速而改变，其中随着转子转速增大，朝向于E方向的电压限制条件的大小减小。

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轴电流和q轴电流的大小被确定在同时满足在电流限制条件B内和电压限制条件C或D内的范围内。在电压裕度（voltage margin）足够大的情况下，电压限制条件不受限制因素的影响，这样在IPMSM 102的效能方面利于跟踪驱动MTPA（最大转矩电流比）的电流指令。

例如，假如给出了预定的转矩指令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F处，其中F为用于满足MTPA的驱动点。

然而，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，驱动点必须移动至能够保持最大输出转矩的G，其中F为不能受逆变器101控制的电流区域。因为IPMSM 102的电感根据电流大小是饱和的，所以如上文描述的电流指令的移动过程具有非线性的关系。

因此，IPMSM 102的特性曲线在IPMSM 102的驱动过程中被离线测量以制备至少两个或更多的2D查表，并且使得图1中的电流指令生成器104基于恒定转矩、驱动转速、直流母线电压来生成关于同步参考帧的电流指令。所述2D查表输入转矩指令和磁通信息以生成关于同步参考帧的d轴电流指令和q轴电流指令。此时，可以通过用直流母线电压除以转子转速来获得磁通信息。

图1中的电流指令生成器104以及坐标转换器110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5】

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

【等式6】

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

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7】

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

【等式8】

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

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来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的以下等式中的进行合成并且将该电压供给至IPMSM 102。

【等式9】

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

【等式10】

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

【等式11】

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

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将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12】

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

【等式13】

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

【等式14】

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

【等式15】

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

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（离线）的查表导致IPMSM的主体参数（subject parameter）改变，因此图1中的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，所以逆变器的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内置式永磁同步电机（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IPMSM的转子的位置和转速的检测器的系统中通过接收指令转矩以驱动IPMSM来运行IPMSM的装置，该装置包括：输出单元，其基于指令转矩生成并输出驱动MTPA（最大转矩电流比）的电流指令；校正单元，其校正由输出单元输出的电流指令；反馈单元，其将过调电压信息传送至校正单元；控制单元，其控制电流指令以输出电压；第一限制单元，其利用能够由逆变器单元合成的最大电压限制控制单元的输出；以及逆变器单元，其利用所述第一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，所述第一转换单元利用接收自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输出转换为关于固定参考帧的电压并将转换后的输出输出至第一限制单元。

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校正单元和控制单元。

优选地，但不是必需地，所述输出单元包括：第二限制单元，其将转矩指令的大小限制在预定最大范围以及预定最小范围；第一计算单元，其通过用所述第二限制单元的输出除以归一化的转矩从而计算归一化的指令转矩；1D查表单元，其通过利用归一化的指令转矩输出归一化的电流指令；以及第二计算单元，其通过将归一化的电流指令乘以归一化电流从而输出驱动MTPA（最大转矩电流比）的电流指令。

优选地，但不是必需地，所述1D查表单元预先确定并且存储相对于归一化的指令转矩的归一化的电流指令。

优选的，但不是必需地，所述1D查表单元输出关于同步参考帧的归一化的d轴电流指令和q轴电流指令。

优选地，但不是必需地，所述反馈单元将控制单元的输出和由逆变器单元合成的过调电压反馈至校正单元。

优选的，但不是必需地，所述反馈单元对过调电压的大小进行积分以及高通滤波，并将积分以及高通滤波的电压传送至校正单元。

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。

优选地，但不是必需地，所述校正单元包括：处理单元，其通过利用保持恒定转矩的单位矢量（unit vector）对驱动所述最大转矩电流比的电流指令进行校正；以及第三限制单元，其通过由处理单元校正的电流指令来限制电流的大小。

优选地，但不是必需地，所述第三限制单元将校正后的电流指令限制在能够由逆变器单元输出的电流范围。

优选地，但不是必需地，所述第三限制单元相对于校正后的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，并且将其中从额定电流中减去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。

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实际由逆变器单元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的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。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的运行系统的示意性框图；

图2为图示了在同步参考帧的电流区域上的常规IPMSM的驱动区域的示例性的视图；

图3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4为图示了根据本公开的示例性实施例的图3的1D查表输出单元的详细框图；

图5为图示了根据本公开的示例性实施例的图3的电流指令校正单元的详细构造图；

图6为图示了根据本公开的示例性实施例的图5的电流指令处理单元的详细构造图；以及

图7为图示了根据本公开的示例性实施例的图5的电流指令限制器的详细构造图。

具体实施方式

通过参照附图的图1至图7，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，在此利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（a）”，“一个（an）”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（comprises）”和/或“包括有（comprising）”或者“包含（includes）”和/或“包含有（including）”时，这些术语指定了已述的特征、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。在全文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3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，其中解释了由实施矢量控制的逆变器控制的IPMSM的驱动。

参见图3，用于运行IPMSM的装置包括逆变器10和转子位置检测器30，逆变器10包括1D查表输出单元11、电流指令校正单元12、电压反馈单元13，电流控制单元14、第一坐标转换器15、电压限制器16、逆变器单元17、电流传感器18以及第二坐标转换器19。

所述逆变器10接收电流指令，并且输出电压Vas、Vbs、Vcs，通过该电压IPMSM 20可被电流指令驱动。

IPMSM 20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，其中转子转速被输出至电流指令校正单元12。

第一查表输出单元11通过指令转矩生成并输出驱动MTPA（最大转矩电流比）的关于同步参考帧的d轴电流指令和q轴电流指令。第一查表输出单元11生成仅相对于指令转矩输出MTPA的关于同步参考帧的电流指令，其将在下文中被具体描述。所述电流指令校正单元12校正电流指令以允许IPMSM 20通过能够使MTPA从1D查表输出单元11输出的电流指令以高速稳定地运行。

电压反馈单元13用于计算由电流指令校正单元12使用的反馈电压。电压反馈单元13起到传送过调电压信息的作用以获得第一坐标转换器15和电压限制器16之间的输出电压的差值。

电流控制单元14用于控制电流指令并且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12的输出。电流控制单元14为比例积分（PI）控制单元但并不局限于此类型。

第一坐标转换器15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14的输出电压转换为关于固定参考帧的电压。电压限制器16利用电压极限六边形将第一坐标转换器15的输出电压限制在能够由逆变器单元17合成的电压。

电压限制器16所利用的电压极限六边形为能够由逆变器单元17合成的最大电压，借此电压极限六边形可以使逆变器单元17的电压利用率最大化。

在第一坐标转换器15的输出电压位于电压限制器16的电压极限六边形的外部的情况下，由逆变器单元17合成的电压存在于电压限制器16的六边形上，同时不会输出电压坐标转换器15的电压。

逆变器单元17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18a-18c测量IPMSM 20和逆变器单元17之间的相电流。响应于第二坐标转换器19的坐标转换将由电流传感器18a-18c测量出的电流作为反馈返回至电流控制单元14和电流指令校正单元12。第二坐标转换器19用于将由电流传感器18a-18c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3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14的输出，最终输出电压合成施加在逆变器单元108和逆变器单元17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的直流母线电压和的至少两个或多个2D查表得到的。但是在本发明的运行装置中，所述电流控制单元14利用1D查表输出单元11的两个1D查表以及电流指令校正单元12的输出来计算指令电流。

此外，在常规系统中施加至逆变器单元108和逆变器单元17的最终输出电压的情形下，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，将描述这样配置的根据本发明的运行装置的操作。

第一查表输出单元11通过转矩指令来合成输出MTPA的关于同步参考帧的d轴电流指令和q轴电流指令。生成MTPA的电流指令可通过预先测量IPMSM 20的特性曲线而获得，并且同样能够通过以下等式得到：关于IPMSM 20的转矩的等式为如下：

【等式16】

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

为了从以上等式16获得输出MTPA的关于同步参考帧的d轴电流指令和q轴电流指令，转矩和电流可以下述方式被归一化。

【等式17】

$T_{\mathrm{en}}=\frac{T_e}{T_{\mathrm{eb}}}$

【等式18】

$i_{\mathrm{dn}}=\frac{i_{\mathrm{ds}}^r}{i_b}$

【等式19】

$i_{\mathrm{qn}}=\frac{i_{\mathrm{qs}}^r}{i_b}$

【等式20】

$T_{\mathrm{eb}}=\frac{3}{2}\frac{P}{2}{\mathrm{\λ}}_f{i}_b$

【等式21】

$i_b=\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{L_{\mathrm{qs}}-L_{\mathrm{ds}}}$

【等式22】

T_en＝i_qn-i_qni_dn

【等式23】

$i_{\mathrm{sn}}^2={\left(i_{\mathrm{dn}}\right)}^2+{\left(i_{\mathrm{qn}}\right)}^2$

可从上述等式22和等式23得到被归一化的d轴电流指令和q轴电流指令，并且同样通过利用上述等式22和等式23，可得到生成MTPA的关于同步参考帧的d轴电流指令和q轴电流指令。

【等式24】

$T_{\mathrm{en}}=\sqrt{i_{\mathrm{dn}}{(i_{\mathrm{dn}}-1)}^3}$

【等式25】

$T_{\mathrm{en}}=\frac{i_{\mathrm{qn}}}{2}(1+\sqrt{1+{4i}_{\mathrm{qn}}^2})$

图4为图示了根据本公开的示例性实施例的图3的1D查表输出单元的详细框图。

参照图4，根据本公开的1D查表输出单元11包括：第一限制单元41、第一计算单元42、1D查表单元43a和43b以及第二计算单元44a和44b。第一限制单元41将输入的指令转矩的大小限制在预定最大值和预定最小值之内。

如等式17所示，第一计算单元42用于将第一限制单元41的输出除以被归一化的转矩。1D查表单元43a和43b利用等式24和25存储预先计算出的1D查表。

这样，由于等式24和等式25为四次等式，因此，如果给出了T_en，则分别确定了四个i_dn和i_qn并且只有一个被使用。也即是说，1D查表单元43a和43b预先存储等式24和25的一个解。第二计算单元44a和44b利用等式18和19将由等式21获得的归一化的电流与1D查表单元43a和43b的输出i_dn和i_qn相乘以获得驱动MTPA的关于同步参考帧的d轴电流指令

和q轴电流指令和

图3的电压反馈单元反馈电流控制单元14的输出以及实际由逆变器单元17合成的过调电压并且输出至电流指令校正单元12，其中可通过以下过程得到反馈电压。

首先，过调电压的大小由等式26得到。此时，由逆变器单元17合成的电压大小被限制为电压极限六边形。

【等式26】

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

此时，等式26具有如下关系。

【等式27】

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

【等式28】

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

【等式29】

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

【等式30】

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

图3的电流指令校正单元12所利用的电压可以如下通过对等式26进行积分并且利用高通滤波来获得。

【等式31】

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

图5为图示了根据本公开的示例性实施例的图3的电流指令校正单元的详细构造图。

参照图5，电流指令校正单元12包括电流指令处理单元51和电流指令限制单元52。

电流指令校正单元12用于通过从MTPA生成的电流指令来校正电流指令，并且电流指令限制单元52限制由校正的电流指令校正的电流的大小。

由本公开提出的电流指令校正旨在最大化地跟踪指令转矩。通过等式16的恒定转矩等式保持恒定转矩的电流矢量可由下述等式得到。

【等式32】

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

通过上述等式32保持恒定转矩的单位矢量如下：

【等式33】

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

保持在上述等式33中的恒定转矩的单位矢量以及通过等式26获得的电压的大小被图3的电流指令校正单元利用，并且新的电流指令可以如下方式通过生成MTPA的电流指令获得。

【等式34】

$i_{\mathrm{ds}\_\mathrm{mod}}^r=i_{\mathrm{ds}\_\mathrm{MTPA}}^r+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{mag}}{X}_{\mathrm{norm}}$

【等式35】

$i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{mod}}^r=i_{\mathrm{qs}\_\mathrm{MTPA}}^r+\frac{{\mathrm{\α}}_2}{s+{\mathrm{\ω}}_c}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{mag}}{X}_{\mathrm{norm}}$

其中，α1和α2表示可变增益，并且其可被设置为如下述的与转速和转矩成比例：

【等式36】

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

【等式37】

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

其中，α_mod1和α_mod2分别为任意比例增益，ω_rpm为电流转子转速，ω_rpm，max为最大转子转速，T_{e_ref}为转矩指令以及T_e，max为可允许的最大转矩指令，其将结合附图被进一步地阐释。

图6为图示了根据本公开的示例性实施例的图5的电流指令处理单元的详细构造图。

参照图6，电流指令处理单元51包括第三计算单元61、第四计算单元62a和62b、第五计算单元63a和63b以及第六计算单元64a和64b。

第三计算单元61实施等式3的计算，并且第四计算单元62a和62b将保持由方程式33获得的恒定转矩的单位矢量与第三计算单元61的输出相乘。

第五计算单元63a和63b将等式34和35的可变增益与第四计算单元62a和62b的输出相乘，并且第六计算单元64a和64b校正生成MTPA的电流指令，如在等式34和35中的，其为图4的第二计算单元44a和44b的输出。

现在，将提供对图5的电流指令限制单元52的解释。

由电流指令处理单元51校正的电流指令必须存在于如图4中所示的逆变器单元17的可输出的电流范围之内。

此时，电流指令的限制向d轴电流提供了优先级，并且优先地将由d轴电流校正的关于同步参考帧的d轴电流输出在额定电流的大小内，其中将其中从额定电流中减去d轴电流的大小的允许范围选择为q轴电流指令。

图7为图示了根据本公开的示例性实施例的图5的电流指令限制器的详细构造图。

参照图7，根据本公开的电流指令限制单元52包括第二限制单元71、第七计算单元72、第八计算单元73以及第三限制单元74。第二限制单元71以这样的方式限制：由图6的第四计算单元64a输出的d轴电流存在于允许的电流范围内。第七计算单元72通过由第二限制单元71输出的d轴电流和允许的电流范围来计算正q轴最大允许电流范围。

第八计算单元73计算负q轴最大允许电流范围，并且第三限制单元74限制由第七计算单元72和第八计算单元73计算出的q轴电流的大小。

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14的输出电压与由逆变器单元17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17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，这样，即使当IPMSM以高速被驱动时也能够输出跟踪最大转矩。

更特别地，在本公开、附图和附属的权利要求的范围内的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，替代性使用也是显而易见的。

Claims (13)

1.一种用于在包括测量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指令转矩以驱动内置式永磁同步电机来运行内置式永磁同步电机的装置，所述装置包括：输出单元，其基于指令转矩生成并输出驱动最大转矩电流比的电流指令；校正单元，其校正由所述输出单元输出的电流指令；反馈单元，其将过调电压信息传送至所述校正单元；控制单元，其控制所述电流指令以输出电压；第一限制单元，其利用能够由逆变器单元合成的最大电压限制所述控制单元的输出；以及逆变器单元，其利用所述第一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输出转换为关于固定参考帧的电压并将转换后的输出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，所述输出单元包括：第二限制单元，其将转矩指令的大小限制在预定最大范围以及预定最小范围；第一计算单元，其通过用所述第二限制单元的输出除以归一化的转矩从而计算归一化的指令转矩；1D查表单元，其通过利用所述归一化的指令转矩输出归一化的电流指令；以及第二计算单元，其通过将所述归一化的电流指令乘以归一化的电流从而输出驱动最大转矩电流比的电流指令。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述1D查表单元预先确定并且存储相对于所述归一化的指令转矩的归一化的电流指令。

7.如权利要求5所述的装置，其中所述1D查表单元输出关于同步参考帧的归一化的d轴电流指令和q轴电流指令。

8.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和由所述逆变器单元合成的过调电压反馈至所述校正单元。

9.如权利要求8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，并将积分以及高通滤波的电压传送至所述校正单元。

10.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。

11.如权利要求1或5所述的装置，其中，所述校正单元包括：处理单元，其通过利用保持恒定转矩的单位矢量对驱动所述最大转矩电流比的电流指令进行校正；以及第三限制单元，其通过由所述处理单元校正的电流指令来限制电流的大小。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述第三限制单元将校正后的电流指令限制在能够由所述逆变器单元输出的电流范围。

13.如权利要求11所述的装置，其中，所述第三限制单元相对于校正后的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，并且将其中从额定电流中减去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。

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