CN1333520C - 在高转速范围内减少功率波动的永磁激励的同步电机的调节方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁激励的同步电机的磁场定向的调节方法和装置。在低转速范围内，测定的纵向电压分量和测定的横向电压分量转换成同步电机的控制脉冲是在使用一个脉冲逆变器的情况下进行的，而在高转速范围内，则在使用一个连锁开关装置或一个在功能上相当于该连锁开关装置的软件程序的情况下进行的。通过本发明可减少在公知系统中由于相对于额定电压过零和实际操作电压过零时的角度不精确性而引起的高转速范围内的功率波动。

Description

在高转速范围内减少功率波动的 永磁激励的同步电机的调节方法和装置

技术领域

本发明涉及一种永磁激励的同步电机的磁场定向调节方法和装置。

背景技术

众所周知，在汽车技术中，永磁激励的同步电机(PM同步电机)作为集成的曲轴起动发电机装入内燃机和变速器之间的汽车传动系中。

这种PM同步电机的调节是在转子磁场定位的坐标系中进行的。图1表示PM同步电机用脉冲逆变器进行磁场定向的电流调节的一个例子。它是根据三相交流系统的相电流的实际值测量并根据测出的实际值计算相对于转子位置的调节电压的纵向和横向分量。其中，横向分量与要求的扭矩成比例。

在这种调节时，从PM电机的三相交流系统推导出的相电流ia、ib、ic在一个停车位交换器13中转换成一个直角坐标系的电流Id_ist和Iq_ist。其中，电流Id_ist表示电机的纵向电流的实际值；而电流Iq_ist则表示电机的横向电流的实际值。

纵向电流实际值Id_ist通过一个叠加元件12输入纵向电流调节器1，而横向电流实际值Iq_ist则作为实际值输入一个横向电流调节器2。叠加元件12收到一个反馈信号作为另一个输入信号，这个反馈信号从一个固定的去耦网络5的输出值uq′获得。固定去耦网络5除了满足调节时的重要去耦外，还要完成与输出限制器3和4共同工作的任务并用一种防扭振(Anti-windup)方法在纵向电流调节器1上达到高的转速范围内的磁场减弱。在高转速情况下，PM同步电机的磁场减弱是需要的，否则感应的电机电压就会大于最大的变流器输出电压。后者是通过供电电压即汽车电网电压限制的。在这种磁场减弱运行情况下，变流器在过调状态工作，所以变流器输出电压不再是正弦形的。

一个由纵向电流额定值发生器9产生的额定值信号输入纵向电流调节器1的额定值输入端，而一个由横向电流额定值发生器14产生的额定值信号则输入横向电流调节器2的额定值输入端。横向电流额定值发生器14根据一个蓄电池电压传感器的输出信号产生上述横向电流额定值信号。

在纵向电流调节器1的输出端上提供一个纵向电流的调节值Id^*，并在横向电流调节器2的输出端上提供一个横向电流的调节值Iq^*。这些调节值输入固定的去耦网络5中，该去耦网络在用上述调节值的情况下测定PM同步电机的调节电压的一个纵向电压分量ud′和一个横向电压分量uq′。

这些调节电压分量ud′和uq′指的是直角坐标系中的调节电压分量并通过输出限制器3或4输入一个逆停车位转换器6中。该转换器的任务是把存在于直角坐标系中的限幅调节电压分量ud和uq转换成三相交流系统的调节电压分量ua、ub和uc。这些调节电压分量在一个脉冲逆变器7中转换成PM同步电机8的控制脉冲。

在固定去耦网络5的输出端输出的调节电压的横向电压分量uq′输入求和器10中，该求和器算出上述横向电压分量的总值|uq′|。

求和器10的输出信号作为阈值开关11输入信号用。如果总值|uq′|超过预定的阈值，则在阈值开关11的输出端输出0值。如果总值|uq′|低于预定的阈值，则在阈值开关11的输出端输出一个值1。

关于含有一个电机模型的去耦网络的构成的实施例可参见本申请人的专利DE1004481.5。

从DE10023908A1中已知一种测定电机的显极转子位置的方法，这种电机例如是一种具有脉冲逆变器的三相发电机。此外，设置了一个转子绕组、一个带电感的定子和一个布置在两个相线端子之间的电源。在这种方法时，在用开关元件的情况下可分成两相，在这两相中测量相应的相电压变化，相电压的叠加可实现显极转子位置的唯一测定。在公知的方法中，是以列表方式测定电压变化时的转子位置的。

此外，在期刊ETEP 1998年5/6月8卷、3期、157～166页中描述了一种用磁场减弱运行的永磁激励同步电机，这种同步电机的最大速度与基本速度之间存在较大的比例。这是通过定子电流的一个附加的负的D分量来实现的。在公知的同步电机的调节范围内，转子位置的测量是在使用输出信号的情况下由三个霍耳传感器来完成的，其中一个霍耳传感器分别对应相U、V、W之一。

从DE19928481A1中已知一种产生表示在考虑定子电压降和主磁场电压情况下的感应电机磁场定向调节时要形成流动电流和要形成扭矩电流的纵向电压或横向电压调节值的方法，这种方法根据这些电流的调节值算出主磁场电压。此外，该期刊提出了一种磁场定位的异步电机的圆频率的测定方法以及一种实施磁场定位调节的异步电机至少两相电流的探测和配对。

发明内容

根据本发明的第一方面，提出了一种永磁激励的同步电机的磁场定向调节方法，包括如下的方法步骤：测定调节电压的纵向电压分量和横向电压分量；将所测定的纵向电压分量和横向电压分量转换成同步电机的控制脉冲，其中，在低转速范围内，所测定的纵向电压分量和横向电压分量转换成同步电机的控制脉冲在使用脉冲逆变器的情况下来进行，而在高转速范围内，所测定的纵向电压分量和横向电压分量转换成同步电机的控制脉冲在使用连锁开关装置或在功能上相当于该连锁开关装置的软件程序的情况下根据转子极轴和额定定子电压空间矢量之间的额定角来进行。

根据本发明的第二方面，提出了一种永磁激励的同步电机的磁场定向调节装置，包括：用于测定调节电压的纵向电压分量和横向电压分量的电路单元；用于将所测定的纵向电压分量和横向电压分量转换成同步电机的控制脉冲的第一装置，该第一装置具有脉冲逆变器；用于将所测定的纵向电压分量和横向电压分量转换成同步电机的控制脉冲的第二装置，该第二装置具有连锁开关装置或在功能上相当于该连锁开关装置的软件程序，并根据转子极轴和额定定子电压空间矢量之间的额定角进行转换；转换单元，其在低转速范围内将脉冲逆变器的输出信号转换为同步电机的控制脉冲，而在高转速范围内将连锁开关装置或在功能上相当于该连锁开关装置的软件程序的输出信号转换为同步电机的控制脉冲。

本发明提出的调节系统可减少在公知的系统时在高的转速范围内产生的功率波动。本发明可实现大转速范围内的简单的变流器控制。这个目的是这样实现的：由于在达到预定的转速极限值时从一个PWM(脉宽调制)运行无冲击地过渡到一个闭塞运行，减少了根据基本振荡与相对于额定电压过零和实际操作电压过零的脉冲频率的比例产生的角度不精确性。

本发明所需的计算单元只引起一个很小的处理器负荷，因为该计算单元可用恒定的调节频率工作而与转速无关。变流器的开关频率保持很低，所以它的开关损耗也保持很低。

附图说明

附图用来示范性地说明本发明。其中：

图1表示一种PM同步电机的常规磁场定向的电流调节框图；

图2表示一种PM同步电机的本发明磁场定向的电流调节第一实施例的框图；

图3表示电流基本振荡频率与转速的关系；

图4表示最大角度偏差与转速的关系；

图5表示一种PM同步电机的本发明磁场定向的电流调节第二实施例的框图。

具体实施方式

图2表示PM同步电机8的本发明磁场定向的电流调节的第一实施例的框图。在这种调节时，不需要从PM电机的多相交流系统推导相电流并用一个停车位转换器转换成一个直角坐标系的纵向电流实际值和横向电流实际值。

图2所示的装置具有一个逻辑单元18，该逻辑单元在其输出端上提供横向电流的一个额定值Iq_soll。此外逻辑单元18配有多个输入端。逻辑单元18的第一个输入端与一个上一级控制器14连接。逻辑单元18的第二个输入端连接在一个蓄电池电压调节器17的输出端上。该电机的转速n的信息输入逻辑单元18的第三个输入端。

蓄电池电压调节器17在输入端一侧与一个蓄电池电压额定值发生器15和一个蓄电池电压传感器16连接。蓄电池电压额定值发生器15例如是上一级的动能管理，并给蓄电池电压调节器17提供蓄电池额定电压U_BS。蓄电池电压传感器16用于测量蓄电池实际电压U_BI这个蓄电池实际电压例如在一个未示出的中间电路电容器上分接。

起动过程按下列顺序进行：从上一级控制器14发出一个起动指令，该起动指令含有额定扭矩M_soll的信息。在逻辑单元18中从这个额定扭矩推导出横向电流额定值Iq_soll。横向电流额定值Iq_soll输入固定的去耦网络19中，该去耦网络含有一个固定的电机模型。在这个去耦网络中，横向电流额定值在考虑转速n和存放的电机模型的情况下转换成调节电压的一个纵向电压分量ud和一个横向电压分量uq。其中，利用了一个考虑了电机参数的存储的表。在这种转换时，对性能产生或多或少的有害影响，视电机模型的精度而定。

从一个例如每分钟500转的预定转速极限值起，转换逻辑18进行一次转换过程，于是，蓄电池电压调节器17的输出信号I_DC_soll作为横向电流额定值Iq_soll传送到去耦网络19。在这个去耦网络中，横向电流额定值在考虑转速n的情况下转换成调节电压的一个纵向电压分量ud和一个横向电压分量uq。在这里也利用一个考虑了电机参数的存储表，电机模型的不精确性通过上一级电压调节来补偿并在电机运行中不导致效率损失。

借助于这个固定的电机模型求出的电压分量ud入uq，这种电压分量指的是直角坐标系中的调节电压分量，并输入一个逆停车位转换器6中，该转换器的任务是把存在于直角坐标系中的调节电压分量ud和uq在考虑由位置传感器24探测的显极转子角γ的情况下转换成三相交流系统的调节电压分量ua、ub和uc。这些调节电压分量传送到一个脉冲逆变器7，该脉冲逆变器在其输出端提供PM同步电机8的控制脉冲。脉冲逆变器7的这个输出端通过一个开关单元23与被控的PM电机8连接。

电压分量ud和uq输入一个计算单元20，该计算单元从这些电压分量中算出转子极轴和额定定子电压空间矢量之间的额定角ε。此角按下式计算：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \frac{\mathrm{ud}}{\mathrm{uq}}.$

由于在磁场定向调节时相同值都用一个在整个调节范围内相同的时间常数进行调节，所以计算单元20用与调节一样的相同节拍频率工作。

计算单元20的输出信号输入连锁开关装置21中，该装置直接由显极转子角γ提供节拍脉冲。有关该显极转子角的信息-如前述-例如用一个位置传感器24来获得。连锁开关装置21用来根据变流器的6个可能的开关状态之一选择控制脉冲，且其输出信号也输入转换逻辑23中。

不用连锁开关装置，也可用一个功能上相当于连锁开关装置的软件程序。

在转换逻辑23中进行这样的转换，即不是在脉冲逆变器7中便是在连锁开关装置21中产生的控制脉冲传送到PM电机8。这种转换是根据转速n在考虑一个可调的开关滞后的情况下进行的，而可调的开关滞后则是用一个磁滞电路来实现的。滞后范围例如在每分钟800和1000转之间。

用这种控制保证了从脉冲逆变器运行无冲击地过渡到闭塞运行，在脉冲逆变器运行中，框7的输出信号通过转换逻辑23传送到PM电机8上，而在闭塞运行中，连锁开关装置21的输出信号则通过转换逻辑23传送到PM电机8。这是由于在整个转速范围使用相同的调节器结构和在转换转速时连锁开关装置21的输出信号等于脉冲逆变器7的输出信号的缘故。其中，脉冲逆变器7的输出信号带有一定的统计角度不精确性或偏差，这个偏差随不断增加的转速而变大，并在高转速范围内导致不希望有的功率波动。

为了避免高转速范围内的这种不希望的功率波动，进行了由脉冲逆变器运行到闭塞运行的上述转换。

在现有技术中，高转速范围内产生的这种功率波动建立在考虑要产生的损失而不允许脉冲逆变器或PWM(脉宽调制)转换器的开关频率选得过大。所以在曲轴发电起动电机的使用场合中，用例如8千赫的PWM频率工作。转速和电流基本振荡频率之间的关系用下式表示：

$f=\frac{n}{60}\·p$

所以，对一个转速范围介于每分钟0和6500之间的2·p＝24极的曲轴起动发电机来说，需要0～1300赫的频率范围。这可从图3表示电流基本振荡频率与转速的关系图中一目了然。此图的横坐标表示转速n，每分钟的转数，纵坐标表示频率f赫兹。

由于整个运行范围存在8千赫的PWM频率，所以根据电流基本振荡与脉冲频率的比例得出一个相对于额定电压过零和实际操作电压过零的角度不准确性。这可从图4表示在PWM频率为8千赫时相对于额定电压过零的最大角度偏差与转速的关系图中一目了然。此图的横坐标表示转速n，每分钟的转数，纵坐标表示角度偏差WF的度数。

这种统计的不精确性或这种偏差导致高的转速范围内的不希望有的功率波动。为了避免这种统计的不精确性，按图2所示的实施例进行与转速有关的转换或由PWM运行与转速有关地转换成闭塞运行。另一种办法是，也可通过PWM频率增加到例如90千赫开关频率来避免上述的功率波动。但由于高的开关损失和由于高的变流器费用，这种办法意义不大。

图2所示实施例的其他优点在于，由于计算单元20可用恒定的调节频率工作而与转速无关，所以只存在很小的附加的处理器负荷。而在PWM运行的情况中，在整个调节范围内，PWM频率和逆停车位转换器的频率都随转速增加，从而导致大的处理器负荷的后果。

此外，变流器的开关频率较小，所以变流器的开关损耗较小。

其次，消除了归因于PWM节拍引起的角度不精确性并由此也消除了归因于这种不精确性引起的不希望有的功率波动。角度精确性只取决于位置传感器本身。

图5表示一种PM同步电机按照本发明磁场定向电流调节的第二实施例的框图。

这个实施例与图2所示第一实施例的区别在于PM同步电机的调节电压的纵向分量ud和横向分量uq产生的方式方法。图5所示实施例是按下述方式进行的：

从PM电动机的三相交流系统中推导的相电流ia、ib、ic在一个停车位转换器13中转换成一个直角坐标系的电流Id_st和Iq_ist。电流Id_ist表示电机的纵向电流的实际值，而电流Iq_ist则表示电机的横向电流的实际值。

纵向电流实际值Id_ist通过一个叠加元件12输入一个纵向电流调节器1中，而横向电流实际值Iq_ist则作为实际值输入横向电流调节器2中。叠加元件12收到一个来自固定去耦网络5的输出值uq′的反馈信号作为另一个输入信号。固定去耦网络5除了满足调节时的重要去耦外，还要完成与输出限制器3和4共同工作的任务并用一种防车身纵摇方法在纵向电流调节器1上达到高的转速范围内的磁场减弱。在高转速情况下，PM同步电机的磁场减弱是需要的，否则感应的电机电压就会大于最大的变流器输出电压。后者是通过供电电压即汽车电网电压限制的。在这种磁场减弱运行情况下，变流器在过调状态工作，所以变流器输出电压不再是正弦形的。

一个由纵向电流额定值发生器9产生的额定值信号输入纵向电流调节器1的额定值输入端，而一个由横向电流额定值发生器14产生的额定值信号则输入横向电流调节器2的额定值输入端。横向电流额定值发生器14根据一个蓄电池电压传感器的输出信号产生上述横向电流额定值信号。

在纵向电流调节器1的输出端上提供一个纵向电流的调节值Id^*，并在横向电流调节器2的输出端上提供一个横向电流的调节值Iq^*。这些调节值输入固定的去耦网络5中，该去耦网络在用上述调节值的情况下测定PM同步电机的调节电压的一个纵向电压分量ud′和一个横向电压分量uq′。

这些调节电压分量ud′和uq′指的是直角坐标系中的调节电压分量并通过输出限制器3或4转换成一个限幅的纵向电压分量ud和一个限幅的横向电压分量uq。

在固定去耦网络5的输出端输出的调节电压的横向电压分量uq′输入求和器10中，该求和器算出上述横向电压分量的总值|uq′|。

求和器10的输出信号作为阈值开关11的输入信号用。如果总值|uq′|超过预定的阈值，则在阈值开关11的输出端输出0值。如果总值|uq′|低于预定的阈值，则在阈值开关11的输出端输出一个值1。

获得PM同步电机的控制脉冲用的调节电压的纵向分量ud和横向分量uq的进一步处理与上述第一实施例相同。

附图标记一览表

1纵向电流调节器

2横向电流调节器

3限制器

4限制器

5去耦网络

6逆停车位变换器

7脉冲逆变器

8PM(永磁)同步电机

9纵向电流额定值发生器

10求和器

11阈值开关

12叠加元件

13停车位变换器

14上一级的控制(电机控制器)

15蓄电池电压额定值发生器

16蓄电池电压传感器

17蓄电池电压调节器

18逻辑单元

19具有固定电机模型的去耦网络

20计算单元

21连锁开关装置

22磁滞电路

23转换逻辑

24显极转子角的位置传感器

ia、ib、ic三相交流系统的相电流

Id_ist纵向电流实际值

Id_soll纵向电流额定值

Iq_ist横向电流实际值

Iq_soll横向电流额定值

Id^*纵向电流调节值

I_DC_soll蓄电池电压调节器的横向电流额定值

Iq^*横向电流调节值

M_soll额定扭矩

N转速

ua、ub、uc三相交流系统的调节电压

U_BS蓄电池电压额定值

U_BI蓄电池电压实际值

ud，ud′调节电压纵向分量

uq，uq′调节电压的横向分量

WF角度误差

ε额定值

γ显极转子角

Claims (12)

1.一种永磁激励的同步电机的磁场定向调节方法，包括如下的方法步骤：

—测定调节电压的一个纵向电压分量ud和一个横向电压分量uq，

—将测定的纵向电压分量和测定的横向电压分量转换成同步电机的控制脉冲，其中

—在低转速范围内，测定的纵向电压分量和测定的横向电压分量转换成同步电机的控制脉冲是在用一个脉冲逆变器(7)的情况下进行的，

—在高转速范围内，测定的纵向电压分量和测定的横向电压分量转换成同步电机的控制脉冲是在用一个连锁开关装置(21)或一个在功能上相当于该连锁开关装置的软件程序的情况下根据转子极轴和额定定子电压空间矢量之间的额定角ε进行的。

2.按权利要求1的方法，其特征为，额定角ε以测定的纵向电压分量和测定的横向电压分量按下式计算：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \frac{\mathrm{ud}}{\mathrm{uq}}.$

3.按权利要求1或2的方法，其特征为，在连锁开关装置中或在用一个相当于该连锁开关装置的软件程序的情况下选择变流器的多个可能的开关状态之一。

4.按权利要求3的方法，其特征为，在考虑转子位置角度(γ)的情况下选择变流器的多个可能的开关状态之一。

5.按权利要求1或2的方法，其特征为，在脉冲逆变器(7)的输出信号和连锁开关装置(21)的输出信号或借助于软件程序产生的控制信号之间进行与转速有关的转换。

6.按权利要求5的方法，其特征为，在考虑开关滞后的情况下进行与转速有关的转换。

7.永磁激励的同步电机的磁场定向调节装置，具有：

—测定调节电压的一个纵向电压分量ud和一个横向电压分量uq的电路单元，

—把测定的纵向电压分量ud和测定的横向电压分量uq转换成同步电机的控制脉冲的第一装置，该第一装置具有一个脉冲逆变器(7)，

—把测定的纵向电压分量ud和测定的横向电压分量uq转换成同步电机的控制脉冲的第二装置，该第二装置具有一个连锁开关装置(21)或一个在功能上相当于该连锁开关装置的软件程序并根据转子极轴和额定定子电压空间矢量之间的额定角ε进行转换，

—转换单元(23)，其在低转速范围内将脉冲逆变器(7)的输出信号转换为同步电机的控制脉冲，而在高转速范围内将连锁开关装置(21)或一个在功能上相当于该连锁开关装置的软件程序的输出信号转换为同步电机的控制脉冲。

8.按权利要求7的磁场定向调节装置，其特征为，所述磁场定向调节装置具有一个计算单元(20)，该计算单元具有一个用于测定的纵向电压分量ud的输入端、一个用于测定的横向电压分量uq的输入端，以及一个用于与转子极轴与额定定子电压空间矢量之间的额定角ε有关的信息的输出端。

9.按权利要求8的磁场定向调节装置，其特征为，计算单元(20)按下式计算额定角ε：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \frac{\mathrm{ud}}{\mathrm{uq}}.$

10.按权利要求7至9中任一项的磁场定向调节装置，其特征为，连锁开关装置(21)或软件程序用来选择变流器的多个开关状态之一。

11.按权利要求10的磁场定向调节装置，其特征为，在考虑转子位置角(γ)的情况下选择变流器的多个可能的开关状态之一。

12.按权利要求7至9中任一项的磁场定向调节装置，其特征为，所述磁场定向调节装置具有一个磁滞电路(22)，其输出信号作为开关信号输入转换单元(23)。

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