CN105391359A

CN105391359A - 用于运行混合励磁的或他励的单极电机的方法和设备

Info

Publication number: CN105391359A
Application number: CN201510554121.5A
Authority: CN
Inventors: D.兰普雷希特
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: DE102014217518A1; CN105391359B

Abstract

本发明涉及一种用于运行混合励磁电机或他励电机（2）的方法，其中电机（2）的定子绕组结构（22）通过施加相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）被操控，且励磁绕组（21）通过施加励磁电压（U_e）或励磁电流（I_e）被操控，其中通过调节装置（11）提供相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）和所述励磁电压（U_e）或励磁电流（I_e）用于进行操控，其中调节装置（11）隐式地设置了相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）与励磁电压（U_e）或励磁电流（I_e）的解耦。

Description

用于运行混合励磁的或他励的单极电机的方法和设备

技术领域

本发明涉及混合励磁单极电机（Homopolarmaschinen），且特别地涉及用于借助电流调节来运行此类电机的方法。

背景技术

感应式电机，例如永磁铁励磁激励的同步电机通常以磁场定向的控制来运行。在此，通过设置额定力矩（Sollmoment）来确定相对于转子固定的坐标系的形成磁通量和转矩的电流的额定值，且以合适的电流调节来调节所述额定值。为操控感应式电机的相支路，根据转子位置将形成磁通量和转矩的电流转换为相应的相电流或相电压。

对于转子固定的坐标系的额定电流中的每个而言，电流调节包括PI调节器。此外，经常设置使形成磁通量和转矩的电流的相互影响最小化的解耦网络。

在混合励磁的单极电机中，励磁磁场部分地借助于励磁线圈生成，在他励的单极电机中励磁磁场完全借助于励磁线圈生成，所述励磁线圈将附加的磁场分量加到电机的转子内。为了提供额定转矩，因此在混合励磁的或他励的单极电机中除了转子固定的坐标系的电流分量之外还必须调节励磁电流作为励磁电流分量。转子固定的坐标系的电流分量的调节以及励磁电流分量的调节应如此进行，使得可以实现效率最优地运行电机。此外，希望的是即使在动态运行中调节特性也使得电流分量之一的改变对两个另外的电流分量的影响尽可能小。但如从关于两个电流分量的现有技术中已知的那样，解耦网络的使用对于三个电流分量而言在数学上是昂贵的，且由于提高的计算成本对于实际的调节而言是不合适的。

发明内容

本发明的任务是提供用于对混合励磁的或他励的单极电机的调节，其中在动态运行中可以在没有解耦网络的计算的情况下对待调节的电流分量进行调节。

此任务通过根据权利要求1的、用于运行混合励磁电机或他励电机的方法以及通过根据并列权利要求的设备和马达系统来解决。

另外的设计方案在从属权利要求中给出。

根据第一方面提出了用于运行混合励磁电机或他励电机的方法，其中电机的定子绕组结构通过施加相电压或相电流来操控，且励磁绕组通过施加励磁电压或励磁电流来操控，其中通过调节装置提供相电压或相电流和励磁电压或励磁电流用于进行操控，其中调节装置隐式地（implizit）设置了相电压或相电流与励磁电压或励磁电流的解耦。

用于运行混合励磁电机或他励电机的以上方法的构思在于，所述构思以CVD调节（CVD：ComplexVectorDesign）或以IMC调节（IMC：InternalModelControl）来执行。

将CVD或IMC调节用于混合励磁电机或他励电机可以实现以简单的方式考虑附加的电流分量，从而这些调节在不显式（explizit）地设置解耦网络的情况下也适用于混合励磁电机或他励电机。由此，可以限制在相应的控制器内用于执行以上调节的计算花费，且与附加地设置用于励磁电流的解耦网络的情况相比所述计算花费更低。

此外，CVD调节可以根据来定义，其中G₀（s）传递函数通过带有调节函数和电机的开环形成，且通过希望的控制传输特性（Führungsübertragungsverhalten）来确定。调节装置对转子固定的坐标系的电流分量和励磁电流分量进行调节，其中控制传输特性适用：

且对于励磁电流分量而言控制传输特性适用：

其中I_dist、I_qist、I_eist是相应的电流分量的实际值，且I_dsoll、I_qsoll、I_esoll是相应的电流分量的预先给定的额定值，其中ω_BW和ω_BWe是预先给定的频率。

此外，预先给定的频率ω_BW和ω_BWe可以是这样的频率，在这些频率处控制传递函数（Führungsübertragungsfunktionen）I_dist/I_dsoll、I_qist/I_qsoll和I_eist/I_esoll的振幅特性（Amplitudeng?nge）首次未超过预先给定的衰减，特别是在-2dB和-4dB之间的衰减，特别是-3dB的衰减。特别地，-3dB的衰减对应于I_ist/I_soll等于0.71这种情况。ω_BW和ω_BWe的值在此可以不同。

根据另一实施方式，替代的IMC调节可以包括滤波器，所述滤波器具有滤波器特性（Filterverhalten）F（s）=1/（ks+1）。

可以规定：所述调节对转子固定的坐标系的电流分量和励磁电流分量进行调节，其中转子固定的坐标系的电流分量被转换为相电压或相电流。

根据另一方面设置了用于运行混合励磁电机或他励电机的设备，其中设备被构造，以便：

-通过施加相电压或相电流来操控电机的定子绕组结构，且通过施加励磁电压或励磁电流来操控励磁绕组；并且

-通过调节装置提供相电压或相电流和励磁电压或励磁电流用于进行操控，其中调节装置隐式地设置了相电压或相电流与励磁电压或励磁电流的解耦。

根据另一方面，设置了带有混合励磁电机或他励电机的且带有以上设备的马达系统。

此外，电机的励磁绕组可以通过相位线圈（Phasenspulen）的星形接点或者单独地施加以励磁电压或励磁电流。

附图说明

在下文中借助于附图对本发明的优选的实施方式详细解释。在附图中：

图1a和图1b是带有混合励磁电机或他励电机的马达系统的示意图；

图2是CVD调节器的示意图；

图3是基于电机的线性描述的CVD调节的示意图；并且

图4是用于运行在图1a和图1b的马达系统内的电机的IMC调节器的示意图。

具体实施方式

图1a示出了马达系统1的示意图。马达系统1包括电机2，所述电机构造为混合励磁电机或他励电机。混合励磁电机或他励电机2的特征在于，借助于励磁线圈21在电机2的转子（未示出）内引入磁场，所述磁场提供了由永磁体提供的部分励磁磁场的额外的部分或完全地形成了励磁磁场。

此外设置了带有定子绕组结构22的电机2，所述定子绕组结构具有配设给多个（在所示出的实施例中为三个）相的定子线圈23。定子线圈23在所示的实施方式中可以以星形连接的方式连接，但可以类似地对于另外的实施方式根据三角连接的方式来连接。

定子线圈23通过相应的相线路4通电，特别地通过操控单元（Ansteuereinheit）3将相电压U_U、U_V、U_W施加到相线路4上，从而作为结果流过相电流I_U、I_V、I_W。操控单元3从控制单元5接收关于转子固定的坐标系的、有待调节的形成磁通量和转矩的电流分量I_d、I_q的量值，所述量值在操控单元3的转换单元31中根据所提供的（即测量的或模型的）、关于转子位置的量值借助于功率电子器件32被转换为相电流I_U、I_V、I_W或相应的相电压U_U、U_V、U_W。

待调节的电流分量I_d、I_q在此包括用于形成磁通量的纵向电流分量I_d和用于形成转矩的横向电流分量I_q，且对应于相应的纵向电压分量U_d和横向电压分量U_q，所述纵向电压分量和横向电压分量通过定子线圈23导致相应的电流分量I_d、I_q。纵向电流分量I_d导致在励磁磁场的方向上的定子磁场分量，而横向电流分量I_q导致相对于励磁磁场偏转基本上90°的定子磁场分量。

此外提供了励磁电压分量U_e，所述励磁电压分量通过操控单元3施加到励磁绕组21上，从而励磁电流或励磁电流分量I_e流过此励磁绕组。为检测相电流，可以在相线路4上设置电流测量装置6，且将另一电流测量装置7布置在励磁电流线路8中的一个内以用于检测励磁电流分量I_e。

电流测量装置6、7提供了实际流过的相电流I_U、I_V、I_W或励磁电流I_e的量值。相电流I_U、I_V、I_W的量值在变换单元9内变换到转子固定的坐标系内，从而将实际的形成磁通量和转矩的电流分量、即实际横向电流分量I_qist和实际纵向电流分量I_dist提供给控制单元5。类似地，由另一电流测量装置7提供实际励磁电流分量I_eist的量值。

基于实际电流分量，即实际纵向电流分量I_dist、实际横向电流分量I_qist和实际励磁电流分量I_eist，现在执行调节11。为此，为马达系统1预先给定了额定力矩M_soll，所述额定力矩M_soll借助于特征曲线被转换为额定纵向电流分量I_dsoll、额定横向电流分量I_qsoll和额定励磁电流分量I_esoll。相应的量值被提供给执行电流调节的控制单元5。

由预先给定的额定力矩M_soll生成额定电流分量I_dsoll、I_qsoll和I_esoll基于特征曲线10来进行。在此，基于电机2的物理模型在例如可以通过转矩和转速确定的每个工作点的准备阶段计算出使电机2的损失最小化的电流分量的组合。电流分量的这些组合然后存储在特征曲线10内。

图1b示出了基本上可比较的马达系统1’，其差异在于励磁线圈21通过星形接点S与定子线圈23连接，且通过星形接点S通电。为了向图1b的实施方式的励磁线圈21通电，需要预先给定相电流使得生成星形接点电势，所述星形接点电势对应于希望的励磁电压U_e，且由此导致相应的电流（励磁电流分量I_e）流过励磁线圈21。相应地，在操控单元3中以已知的方式将横向电压分量U_q、纵向电压分量U_d和励磁电压分量U_e的量值转换为相电流，使得在星形接点S上存在引起预先给定的励磁电流的、具有励磁电压U_e的大小的星形接点电压。

现在应在控制单元5内实现调节11，通过所述调节可以避免带有解耦网络的、常规的显式的调节。根据在图2和图3中图示的第一实施方式，在控制单元5内设置CVD调节（CVD：ComplexVectorDesign），所述CVD调节规定了对于电流分量I_d、I_q和I_e的调节。

如在图2中所示，CVD调节的设计根据来实现，其中G₀（s）是由调节装置11和物理路径12（通过操控单元3和电机2形成）构成的开环的传递函数，且通过所希望的控制传输特性来确定。例如，在对于转子固定的坐标系的电流分量I_d、I_q而言希望的控制传输特性为

且对于励磁电流分量I_e而言希望的控制传输特性为

的情况下，得到开环的传递函数为

在此，ω_BW和ω_BWe是预先给定的频率。预先给定的频率ω_BW和ω_BWe可以是这样的频率，在所述频率处控制传递函数I_dist/I_dsoll、I_qist/I_qsoll和I_eist/I_esoll的振幅特性首次未超过预先给定的衰减，特别是在-2dB和-4dB之间的衰减，特别是-3dB的衰减。ω_BW和ω_BWe的值在此可以不同。

是调节路径（Regelstrecke）G（s）的逆路径模型（Streckenmodell）。在此，ω_BW是这样的频率，在该频率处控制传递函数I_ist/I_soll的振幅特性首次降低到-3dB以下，即I_ist小于0.71I_soll。

通过图2的调节器结构，基本上混合励磁的同步电机的如下物理描述被转换：

其中各个R是相位线圈23的欧姆电阻，L_d是在纵向电流分量I_d的方向上的电感、即在励磁磁场或转子固定的坐标系的d轴方向上的电感，L_q是在横向电流分量的方向上的电感、即在横向于励磁磁场的方向上或在固定的坐标系的q轴方向上的电感，M_ed是励磁绕组21和相位线圈23之间的耦合电感，R_e是励磁绕组21的欧姆电阻，K_m是存在于转子内的永磁体的永磁体磁通量，以及ω_el是电动转速。

由此得到了关于如在图3的示意图中图示的那样的CVD调节器的结构：

为保证在动态运行中的解耦，纵向电压分量U_d的计算考虑了如下项：

横向电压分量U_q考虑了带有如下项的纵向电流分量I_d以及励磁电流分量I_e的动态影响：

此外，励磁电压分量U_e通过考虑基于纵向电流分量I_d的如下修正项得到：

在此，ω_BW是这样的频率，在所述频率处控制传递函数I_dist/I_dsoll和I_qist/I_qsoll的振幅特性首次降低到-3dB以下，即I_dist小于0.71I_dsoll且I_qist小于0.71I_qsoll。

在图4中图示了具有IMC调节器（IMC：InternalModelControl）的形式的、用于调节装置11的另一种实施方式。为了滤除调节偏差且提供被滤除的调节偏差的导出项sI_{d_f}、sI_{q_f}、sI_{e_f}，IMC调节装置11包括带有滤波器函数F（s）的滤波器15，

这些导出项输送到电机2的逆路径模型内。带有滤波器函数F（s）的滤波器15用于限定希望的控制传输特性且用于生成逆路径模型所需的输入参数。分别就三个调节参量中的每个而言，滤波器15的、适合于混合励磁电机或他励电机2的设计方案都可以对应于F（s）=1/（ks+1）。

Claims

1.用于运行混合励磁电机或他励电机（2）的方法，其中所述电机（2）的定子绕组结构（22）通过施加相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）被操控，且励磁绕组（21）通过施加励磁电压（U_e）或励磁电流（I_e）被操控，其中通过调节装置（11）提供所述相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）和所述励磁电压（U_e）或励磁电流（I_e）用于进行操控，其中所述调节装置（11）隐式地设置了所述相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）与所述励磁电压（U_e）或励磁电流（I_e）的解耦。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节装置（11）包括CVD调节。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述调节装置（11）对转子固定的坐标系的电流分量（I_d、I_q）和励磁电流分量（I_e）进行了调节，其中所述CVD调节根据调节函数来定义，其中G₀（s）传递函数通过带有调节函数和所述电机（2）的开环形成，且通过所希望的控制传输特性来确定，其中对于转子固定的坐标系的电流分量（I_d、I_q）而言控制传输特性适用：

且对于所述励磁电流分量（I_e）而言控制传输特性适用：

其中I_dist、I_qist、I_eist是相应的电流分量的实际值，且I_dsoll、I_qsoll、I_esoll是相应的电流分量的预先给定的额定值，

其中ω_BW和ω_BWe是预先给定的频率。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述预先给定的频率（ω_BW和ω_BWe）是这样的频率，在这些频率处控制传递函数I_dist/I_dsoll、I_qist/I_qsoll和I_eist/I_esoll的振幅特性首次未超过预先给定的衰减，特别是在-2dB和-4dB之间的衰减，特别是-3dB的衰减。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节装置（11）包括IMC调节。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述IMC调节包括滤波器（15），所述滤波器（15）具有滤波器特性F（s）=1/（ks+1）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述调节装置（11）对转子固定的坐标系的电流分量（I_d、I_q）和励磁电流分量（I_e）进行调节，其中所述转子固定的坐标系的电流分量（I_d、I_q）被转换为相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）。

8.设备，特别是控制单元（5），用于运行混合励磁电机或他励电机（2），其中所述设备被构造，以便：

-通过施加相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）来操控所述电机（2）的定子绕组（22），且通过施加励磁电压（U_e）或励磁电流（I_e）来操控励磁绕组（21）；并且

-通过调节装置（11）提供所述相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）和所述励磁电压（U_e）或励磁电流（I_e）用于进行操控，其中所述调节装置（11）隐式地设置了所述相电压（U_U、U_V、U_W）或相电流（I_U、I_V、I_W）与所述励磁电压（U_e）或励磁电流（I_e）的解耦。

9.带有混合励磁电机或他励电机（2）且带有根据权利要求8所述的设备的马达系统（1、1’）。

10.根据权利要求9所述的马达系统（1、1’），其中所述电机（2）的励磁绕组（21）通过相位线圈（23）的星形接点（S）或者单独地被施加以所述励磁电压（U_e）或所述励磁电流（I_e）。