CN109804550A - 用于永磁同步电机的闭环磁通减弱 - Google Patents

Abstract

提供一种闭环磁通减弱方法和装置。闭环磁通减弱装置可以包括：求差电路，所述求差电路获得q轴参考电压与q轴电压之间的差；控制器，所述控制器将q轴参考电压与q轴电压之间的差转换成电机的定子的d轴电流；以及求和电路，所述求和电路通过将电机的定子的d轴电流与电机的定子的前馈d轴电流相加来获得d轴参考电流。

Description

用于永磁同步电机的闭环磁通减弱

相关申请的交叉参考

本申请要求于2016年10月25日提交的美国专利申请No.15/333,249的优先权，通过参考将其全部内容并入在本文中。

技术领域

本公开总体上涉及一种闭环磁通减弱方法和装置，并且更具体地涉及一种为永磁同步电机提供节省能量的闭环磁通减弱方法和装置。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)在诸如洗衣机、电动车辆、冰箱和空气压缩机的各种设备中使用。很多这些应用要求PMSM超出额定速度运行了延长的时间段，额定速度是电机在没有磁通减弱的情况下受电压限制的最大速度。超出额定速度的运行要求电机在低效磁通减弱区或磁场减弱区中运行。

已经提出多种解决方案来控制磁通减弱区中的电机。图1示出PMSM的控制电路的方框图。参考图1，d轴参考电流I_dref 100被输入到作为用于控制电机110的运行的电路的部分的第一求差电路105。可以以各种方法来确定d轴参考电流I_dref。例如，可以使用查找表(LUT)来确定d轴参考电流I_dref，查找表为各种电机速度提供d轴参考电流I_dref。但是，为了生成LUT，这种方法需要以不同的速度运行电机，以确定d轴参考电流I_dref。此外，对于要控制的每种不同类型的电机，需要不同的LUT。

作为LUT的替代物，可以使用开环方程来确定d轴参考电流I_dref，如R.Krishnan，PMSM Flux Weakening Operation，Permanent Magnet Synchronous and BrushlessDCMotor Drives，CRC 2010(PMSM磁通减弱操作，永磁同步和无刷直流电机驱动，CRC 2010)所述(http：//www.eecs.ucf.edu/～thomwu/course/eel6208/notes/27％20PMSM％20Flux％20Weakening％20Operation.pdf)，通过参考将其并入到本文中。但是在开环方法中，不存在所计算的d轴参考电流I_dref是否是准确的指示。

作为另一个替代方案，可以使用闭环系统来确定d轴参考电流I_dref。在不需要任何前馈输入来计算d轴参考电流I_dref的情况下，很多这样的闭环系统使用电机的最大电压但是，这种方法要求显著地努力以基于电机变化来调整控制器。因此，需要一种改进控制电路，在不需要要求显著手动调整的情况下，需要准确地确定d轴参考电流I_dref。此外，LUT、开环方程和不使用前馈输入来计算d轴参考电流I_dref的闭环系统具有受限的效率，因此需要更有效的控制电路。

发明内容

根据一个或多个示例性实施例的方案，提供一种生成用于控制电机的参考电流的装置。该装置可以包括：求差电路，该求差电路获得q轴参考电压与q轴电压之间的差；控制器，该控制器将q轴参考电压与q轴电压之间的差转换成电机的定子的d轴电流；以及求和电路，该求和电路通过将电机的定子的渐进d轴电流与电机的定子的前馈d轴电流相加来获得d轴参考电流。

可以基于以下公式来确定q轴参考电压V_qref：其中是能够施加到电机的最大电压的平方，并且其中是电机的d轴电压的平方。

可以基于以下公式来确定电机的定子的前馈d轴电流I_{ds_feedfw}：

其中，r_s是电机的定子电阻，i_{q ref}是q轴参考电流，L_qs是电机的定子的q轴电感，是q轴参考电流关于时间的导数，E是电机的反电动势，ω是电机的电气速度，以及L_ds是电机的定子的d轴电感。实际上，根据应用，可以使用低通数字滤波器来确定和E。

求差电路可以在该求差电路的正输入处接收q轴参考电压，并在该求差电路的负输入处接收q轴电压。

根据一个或多个示例性实施例的另一个方案，提供一种生成用于控制电机的参考电流的装置。该装置可以包括：求差电路，该求差电路获得q轴参考电压与q轴电压之间的差；控制器，该控制器将q轴参考电压与q轴电压之间的差转换成电机的定子的渐进q轴电压；门电路，该门电路将电机的定子的q轴电压转换成电机的定子的渐进d轴电流；以及求和电路，该求和电路通过将电机的定子的d轴电流与电机的定子的前馈d轴电流相加来获得d轴参考电流。

根据一个或多个示例性实施例的另一个方案，提供一种产生用于控制电机的参考电流的方法。该方法可以包括：获得电机的q轴参考电压与q轴电压之间的差；将q轴参考电压与q轴电压之间的差转换成电机的定子的d轴电流；以及通过将电机的定子的d轴电流与电机的定子的前馈d轴电流相加来确定d轴参考电流。

附图说明

图1示出根据一个或多个示例性实施例的用于PMSM的控制电路的方框图。

图2示出根据示例性实施例的用于确定d轴参考电流I_dref的闭环磁通减弱电路。

图3示出根据一个或多个示例性实施例的用于PMSM的控制电路的方框图。

图4示出根据另一个示例性实施例的用于确定d轴参考电流I_dref的闭环磁通减弱电路。

具体实施方式

下面详细参考附图所示的以下示例性实施例，其中，相同的附图标记始终表示相同的元件。可以以各种形式来具体实施示例性实施例而不限于这里给出的示例性实施例。为清楚起见，省略公知部件的描述。

图2示出根据示例性实施例的用于确定d轴参考电流I_dref的闭环磁通减弱电路。参考图1和图2，将q轴参考电压V_{q ref}和q轴电压V_q输入到求差电路200，求差电路200将q轴参考电压V_{q ref}与q轴电压V_q之间的差输出到PI控制器205。PI控制器205可以是本领域公知的PI控制器，并且这里省略其功能的描述以避免模糊本公开的其他方案。PI控制器205接收q轴参考电压V_{q ref}与q轴电压V_q之间的差，并且输出电机的定子的校正d轴电流I_{ds_corr}。求和电路210接收校正的d轴定子电流I_{ds_corr}并将其加入到定子的前馈d轴电流I_{ds_feedfw}，以获得d轴参考电流[d_ref。参考图1，可以将通过图2的示例性电路确定的d轴参考电流I_dref作为d轴参考电流I_dref 100输入到第一求差电路105中。

能够使用以下公式(1)来获得q轴参考电压V_{q ref}：

在公式(1)中，指的是能够施加到电机的最大电压的平方，以及是d轴电压的平方。一旦知道q轴参考电压V_{q ref}，就能够基于以下公式(2)来确定定子的前馈d轴电流I_{ds_feedfw}：

在公式(2)中，r_s表指的是电机的定子电阻，i_{q ref}指的是q轴参考电流，L_qs指的是电机的定子的q轴电感，指的是q轴参考电流关于时间的导数，E指的是电机的反电动势(EMF)，ω指的是电机的电气速度，以及L_ds指的是电机的定子的d轴电感。实际上，根据应用，可以使用低通数字滤波器来确定和E。

再参考图1，第二求差电路115接收电机的参考速度ω_ref和电机的测量速度ω，并且将两个信号之间的差输出到PI控制器120。PI控制器120输出q轴参考电流i_{q ref}，在公式(2)中，q轴参考电流i_{q ref}用于计算定子的前馈d轴电流I_{ds_feedfw}。第三求差电路125接收q轴参考电流i_{q ref}和电机的q轴电流i_q，并输出其差。如上所述，d轴参考电流I_dref 100被输入到第一求差电路105中，第一求差电路105输出d轴参考电流I_dref 100与电机的d轴电流i_d之间的差。

PI控制器130接收由第三求差电路125输出的q轴参考电流i_{q ref}与电机的q轴电流i_q之间的差。PI控制器130输出q轴电压V_q，该q轴电压V_q被输入到图2中的求差电路200中。PI控制器135接收由第一求差电路105输出的d轴参考电流I_dref 100与电机的d轴电流i_d之间的差。PI控制器135输出d轴电压V_d，该d轴电压V_d用于计算公式(1)中的q轴参考电压V_{q ref}。q轴电压V_q和d轴电压V_d被输入到第一变换140中，第一变换140使用角度θ将q轴电压V_q和d轴电压V_d分别变换为V_α和V_β，角度θ表示电机110的转子的位置。空间矢量调制器145进一步将电压信号V_α和V_β变换为被输入到三相桥150中的三相电压信号V_a、V_b和V_c。三相桥150输出由电机110接收的三相电流i_a、i_b和i_c。三相电流i_a、i_b和i_c被输入到第二变换155，该第二变换155将三相电流i_a、i_b和i_c变换成电流信号i_α和i_β。电流信号i_α和i_β被输入到第三变换160中，第三变换160基于转子的位置θ将电流信号i_α和i_β变换成q轴电流i_q和d轴电流i_d。q轴电流i_q和d轴电流i_d分别被输入到第三求差电路125和第一求差电路105中。将定位和速度感测电路165联接到电机110并监视电机110的速度和转子的位置。定位和速度感测电路165将电机的速度ω输出到第二求差电路115，并将转子的位置θ输出到第一变换140和第三变换160。定位和速度感测电路165可以是基于诸如编码器或解析器的硬件的，也可以是基于诸如速度和角度估计器的软件的。

图3示出根据一个或多个示例性实施例的用于PMSM的控制电路的方框图。图3中示出的控制电路与图1中示出的控制电路相类似，因此这里仅描述与图1的不同，以避免冗余。参考图3，根据示例性实施例的控制电路可以包括闭环磁通减弱电路300，该闭环磁通减弱电路300可以包括图2中示出的控制电路。闭环磁通减弱电路300接收q轴参考电流i_{q ref}和d轴电压V_d作为输入，以生成d轴参考电流i_{q ref}。此外，与图1的定位和速度感测电路165一样，图3的位置和速度感测电路365输出电机的速度ω和转子的位置θ，并且还输出反EMF E，该反EMF E被输入到闭环磁通减弱电路300并用于确定d轴参考电流i_{q ref}。

图4示出根据一个或多个示例性实施例的闭环磁通减弱电路。参考图4，q轴参考电压V_{q ref}和q轴电压V_q被输入到求差电路400，该求差电路400将q轴参考电压V_{q ref}与q轴电压V_q之间的差输出到PI控制器405。除了将q轴参考电压V_{q ref}输入到求差电路400的负端子，并且将q轴电压V_q输入到求差电路400的正端子之外，这类似于图2中示出的示例性电路。PI控制器405接收q轴参考电压V_{q ref}与q轴电压V_q之间的差，并且输出定子的接近稳态的校正q轴电压由门电路K410接收定子的接近稳态的校正q轴电压门电路K410将定子的接近稳态的校正q轴电压除以ω和L_ds的乘积，以获得定子的校正d轴电流I_{ds_corr}，其中ω指的是电机的定子的电气速度，以及L_ds指的是电机的定子的d轴电感。因此，在公式(3)中将闭环磁通减弱电路的线性化工厂传递函数给出如下：

在公式(3)中，指的是定子中的接近稳态的扰动d轴电流。在图4的配置中，工厂传递函数具有单位增益，这允许以控制电路的最小调整将闭环前馈电路用作各种电机的控制电路的部分。进一步参考图4，求和电路415接收校正d轴定子电流I_{ds_corr}并将其加入到定子的前馈d轴电流I_{ds_feedfw}，以获得d轴参考电流I_dref。可以将图4中示出的闭环磁通减弱电路用作图3中示出的闭环磁通减弱电路300。可替选地，可以将图2中示出的闭环磁通减弱电路用作图3中示出的闭环磁通减弱电路300。

本文中描述的示例性闭环磁通减弱电路可以以硬件和/或软件进行实施。例如，可以将示例性实施例的闭环弱磁通减弱电路配置为驻留在可寻址存储介质中并在一个或多个处理器上执行。作为示例，示例性实施例可以包括组件(诸如软件组件、面向对象的软件组件、类组件和任务组件)、过程、函数、属性、程序、子例程、程序代码段、驱动程序、固件、微代码、电路、数据、数据库、数据结构、表、数组和变量。

虽然已经关于本公开的示例性实施例描述和说明了本公开的发明构思，但是其不限于本文公开的示例性实施例，并且可以在其中进行修改而不脱离本发明构思的范围。

Claims (13)

1.一种生成用于控制电机的参考电流的装置，所述装置包括：

求差电路，所述求差电路获得q轴参考电压与q轴电压之间的差；

控制器，所述控制器将所述q轴参考电压与所述q轴电压之间的所述差转换成所述电机的定子的校正d轴电流；以及

求和电路，所述求和电路通过将所述电机的所述定子的d轴电流与所述电机的所述定子的前馈d轴电流相加来获得d轴参考电流。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，基于以下公式来确定所述q轴参考电压V_qref：

其中，是能够被施加到所述电机的最大电压的平方；以及

其中，是所述电机的d轴电压的平方。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，基于以下公式来确定所述电机的所述定子的所述前馈d轴电流I_{ds_feedfw}：

其中，r_s是所述电机的定子电阻；

其中，i_qref是q轴参考电流；

其中，L_qs是所述电机的所述定子的q轴电感；

其中，是所述q轴参考电流关于时间的导数；

其中，E是所述电机的反电动势；

其中，ω是所述电机的电气速度；以及

其中，L_ds是所述电机的所述定子的d轴电感。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述求差电路在所述求差电路的正输入处接收所述q轴参考电压，并在所述求差电路的负输入处接收所述q轴电压。

5.一种生成用于控制电机的参考电流的装置，所述装置包括：

求差电路，所述求差电路获得q轴参考电压与q轴电压之间的差；

控制器，所述控制器将所述q轴参考电压与所述q轴电压之间的所述差转换成所述电机的定子的校正q轴电压；

门电路，所述门电路将所述电机的所述定子的所述校正q轴电压转换成所述电机的定子的d轴电流；以及

求和电路，所述求和电路通过将所述电机的所述定子的d轴电流与所述电机的所述定子的前馈d轴电流相加来获得d轴参考电流。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，基于以下公式来确定所述q轴参考电压V_qref：

其中，是所述电机的最大电压的平方；以及

其中，是所述电机的d轴电压的平方。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，基于以下公式来确定所述电机的所述定子的所述前馈d轴电流I_{ds_feedfw}：

其中，r_s是所述电机的定子电阻；

其中，i_qref是q轴参考电流；

其中，L_qs是所述电机的所述定子的q轴电感；

其中，是所述q轴参考电流关于时间的导数；

其中，E是所述电机的反电动势；

其中，ω是所述电机的电气速度；以及

其中，L_ds是所述电机的所述定子的d轴电感。

8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述求差电路在所述求差电路的正输入处接收所述q轴参考电压，并在所述求差电路的负输入处接收所述q轴电压。

9.根据权利要求5所述的装置，其中，所述门电路通过将所述电机的所述定子的q轴电压除以所述电机的电气速度与所述电机的所述定子的d轴电感的乘积，将所述电机的所述定子的所述q轴电压转换成所述电机的定子的d轴电流。

10.一种生成用于控制电机的参考电流的方法，所述方法包括：

获得所述电机的q轴参考电压与q轴电压之间的差；

将所述q轴参考电压与所述q轴电压之间的所述差转换成所述电机的定子的d轴校正电流；以及

通过将所述电机的所述定子的d轴电流与所述电机的所述定子的前馈d轴电流相加来确定d轴参考电流。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述q轴参考电压与所述q轴电压之间的所述差转换成所述电机的定子的d轴校正电流包括：

将所述q轴参考电压与所述q轴电压之间的所述差转换成所述电机的所述定子的q轴电压；以及

将所述电机的定子的所述q轴电压转换成所述电机的所述定子的d轴电流。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括基于以下公式来确定所述q轴参考电压V_qref：

其中，是所述电机的最大电压的平方；以及

其中，是所述电机的d轴电压的平方。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括基于以下公式来确定所述电机的所述定子的所述前馈d轴电流I_{ds_feedfw}：

其中，r_s是所述电机的定子电阻；

其中，i_qref是q轴参考电流；

其中，L_qs是所述电机的所述定子的q轴电感；

其中，是所述q轴参考电流关于时间的导数；

其中，E是所述电机的反电动势；

其中，ω是所述电机的电气速度；以及

其中，L_ds是所述电机的所述定子的d轴电感。