CN1647360A - 用于控制永磁电动机的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制三相永磁电动机的与永磁电动机的速度和转矩的变化有关的端子电压的系统和方法，其中相电流首先被从静止坐标系旋转到转子同步坐标系内的两个解耦的电流分量，这使得能够得到沿着正交轴的电压和沿着纵向轴的电压，然后将正交轴和纵向轴电压从转子同步坐标系旋转回静止坐标系，以产生永磁电动机的端子电压。

Description

用于控制永磁电动机的系统和方法

技术领域

本发明涉及永磁电动机。更具体地说，本发明涉及用于控制永磁电动机的系统和方法。

背景技术

一般来说，为了控制永磁电动机，需要确定永磁电动机的特性，诸如相位、频率和由电动机转子的转动产生的电动势(“emf”)电压的振幅，以便产生被施加在电动机端子上的电压。

永磁电动机的这些特性可以通过使用位置传感器获得，位置传感器导致了增加的花费，并且由于反馈信号受周围环境(诸如噪音和温度)的变化和(例如)杂质的出现的影响，降低了这种方法的可靠性。

一种可能的方法涉及估计永磁电动机的电动势。然而，在高速电动机的情况下，这种方法需要高计算速度，可能会产生高昂的花费。而且，由于电动机的特性依赖于周围的环境，这种控制方法会很复杂。

从前面的叙述明显可知，虽然已知许多控制永磁电动机的方法，但是根据永磁电动机的各种设计，这些方法或是需要位置传感器和复杂的计算，或是必须适合于电动机的环境。

因此，需要一种系统和方法，所述系统和方法可以简单、可靠的方式控制永磁电动机，并且可以自动地适应环境的改变。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于永磁电动机的改进的控制器系统和方法。

更具体地说，根据本发明，提供了一种用于控制永磁电动机的系统，包括电动机控制器和功率级，电动机控制器使用永磁电动机的相电流产生与永磁电动机的速度和转矩的变化有关的电压控制信号，所述的电压控制信号通过功率级被反馈回永磁电动机。

此外，提供了一种用于控制永磁电动机的方法，包括确定永磁电动机每个相的电流；获得与永磁电动机的速度和转矩的变化有关的电压控制信号；并且将所述的电压控制信号反馈回永磁电动机。

还提供了一种用于控制具有转子和定子的三相永磁电动机的电路，包括旋转器，可以将永磁电动机的相电流信号从静止坐标系旋转到转子同步坐标系中分别沿着纵向轴(I_d)和正交轴(I_q)的两个解耦电流分量；比例和积分运算器，用于获得沿着正交轴的电压(V_q)和沿着纵向轴的电压(V_d)；旋转器，它可以将电压V_q和V_d从转子同步坐标系旋转回静止坐标系以便产生永磁电动机的端子电压V_a、V_b和V_c。

还提供了用于控制具有转子和定子的三相永磁电动机的方法，包括将永磁电动机的相电流信号从静态坐标系分别旋转到转子同步坐标系内沿着纵向轴(I_d)和正交轴(I_q)的两个解耦电流分量；获得沿着正交轴的电压(V_q)；获得沿着纵向轴的电压(V_d)；将电压V_q和V_d从转子同步坐标系旋转回静止坐标系以便产生永磁电动机的端子电压V_a、V_b和V_c。

还提供了一种用于控制具有三个相的永磁电动机的方法，所述的三个相的每个相分别承载电流i_a、i_b、i_c，所述的方法包括确定电流i_a、i_b、i_c；以角-θ_n旋转电流i_a、i_b、i_c以产生电流I_d和I_q；计算永磁电动机的当前转矩；计算电流旋转角θ_n+1；计算电压输出V_q；计算电压输出V_d；以旋转角θ_n+1旋转电压V_q和V_d以产生三个电压控制信号V_a、V_b和V_c；并且将电压控制信号V_a、V_b和V_c施加到永磁电动机上。

通过阅读下面结合附图、对仅以示例的方式给出的实施例的非限定性说明，将会更加清楚本发明的其它目的、优点和特征。

附图说明

图1是根据本发明的第一个方面的实施例的电动机控制器系统的简图；并且

图2是根据本发明的第二个方面的实施例的用于控制电动机的方法的流程图。

具体实施方式

一般来说，本发明提供了一种用于通过监测与电动机的转速和转矩的变化有关的端子电压，控制三相电动机的系统和方法。

更具体地说，本发明规定：首先将永磁电动机的相电流从静止坐标系旋转到转子同步坐标系内的两个解耦电流分量，这可以得出沿着正交轴的电压和沿着纵向轴的电压，此后，将正交轴电压和纵向轴电压从转子同步坐标系旋转回静止坐标系以产生电动机端子电压。

图1中示出的系统10包括永磁电动机，此后其被称为PM电动机12；功率级14；和电动机控制器16。

PM电动机12是具有转子和定子(未示出)的三相电动机，每个相分别承载着电流i_a、i_b、i_c。这些相电流被检测并由帕克矢量旋转器单元16使用，以产生三个电压控制信号V_a、V_b和V_c，然后，将这三个电压控制信号提供给功率级14。

例如，功率级14可以是由Semikron提供的功率级类型，特别是(例如)SKiiPACK^TM342 GD 120-314 CTV。

通过由用户将表示PM电动机12的速度的值设置到系统10内，控制电动机的角速度“ω”。用户选择一个参考电流值“I^*”，该值通常被设置为0，但是也可以选择其它的值。

电动机控制器16是以帕克矢量旋转器单元的形式出现的。帕克矢量旋转器单元16产生两个连续旋转角，它们具有瞬时值θ_n+1和-θ_n，其中负号表示相反的旋转方向，下标“n+1”标识着当前计算角度，并且下标“n”标识着前一个计算角度。

为了清楚起见，现在将参考图2说明根据本发明的第二个方面，用于使用系统10控制永磁电动机的方法的主要步骤。

在第一个步骤100中，通过使用标准的电流传感器确定来自PM电动机12的三个相的三个电流i_a、i_b、i_c。

然后，在接下来的步骤(200)中，在反向帕克矢量旋转器18中处理这三个电流i_a、i_b、i_c，反向帕克矢量旋转器18以角-θ_n旋转这三个电流i_a、i_b、i_c以输出两个电流I_d和I_q。

在步骤300，这两个电流I_d和I_q被用于计算PM电动机12的当前转矩(current torque)“T”，计算的转矩反过来用于计算电流旋转角(currentrotating angle)θ_n+1(步骤400)。

此外，这两个电流I_d和I_q还被用于计算两个电压输出V_q和V_d(步骤500和600)。然后，在帕克矢量旋转器20中以旋转角θ_n+1旋转电压输出V_q和V_d，以便产生三个电压控制信号V_a、V_b和V_c(步骤700)。

现在回到图1，现在将更详细地说明本发明的方法的步骤。

响应PM电动机12的速度ω和转矩T的变化，从下式中得出当前计算角度：

θ_n+1＝θ_n+k₁×ω+k₂×T  (1)

其中k₁和k₂是常量。

如图1中所见，相电流i_a、i_b、i_c被通过线路12a、12b和12c引至第一反向帕克矢量旋转器18，反向帕克矢量旋转器18以角-θ_n旋转相电流i_a、i_b、i_c，以便根据固定在转子轴上的d-q轴上的下列关系输出两个电流I_d和I_q：

I_d＝2/3×[i_a×cos(θ_n)+i_b×cos(θ_n+120°)+i_c×cos(θ_n-120°)]  (2)

I_q＝2/3×[i_a×sin(θ_n)+i_b×sin(θ_n+120°)+i_c×sin(θ_n-120°)]  (3)

应当注意，或是测量来自PM电动机12的三个相的三个电流i_a、i_b、i_c，或是仅测量它们中的两个，因为第三个相电流可以从其它两个相电流中计算出来，这是因为如本领域的技术人员已知的，下面的关系成立：

$\underset{\mathrm{threephase}}{\mathrm{\Σi}}=0---\left(4\right)$

经过旋转的值I_d和I_q还被用于产生第一电压输出V_q，根据固定在转子轴上的d-q轴上的下列等式，这考虑了预设值I^*和I_d之间的误差：

V_q＝PI(I^*-I_d)+k₃×I_q    (5)

其中k₃是一个常量，“PI”表示比例和积分运算符，定义如下：

PI(x)＝ax+b∫xdt    (6)

其中a和b是常量并且积分是对时间进行的。

经过旋转的值I_d和I_q还被用于根据固定在转子轴上的d-q轴上的下列关系，产生第二电压输出V_d：

V_d＝k₅×I_d+k₄×I_q×ω    (7)

其中k₄和k₅是常量。

此外，如前面所述，由用户设置速度ω，而转矩T可以使用由前面的公式(2)-(3)所确定的I_d和I_q和固定在转子轴上的d-q轴上的V_d和V_q，由下式计算得出：

T＝(V_d×I_d+V_q×I_q)/ω    (8)

然后，将连续旋转参考坐标系中的两个电压V_d和V_q提交到第二帕克矢量旋转器20，在其中它们被以角θ_n+1旋转，以便根据下面的等式产生三个电压控制信号，即V_a、V_b和V_c，这三个电压控制信号控制功率单元14：

V_a＝V_d×cos(θ_n+1)+V_q×sin(θ_n+1)    (9)

V_b＝V_d×cos(θ_n+1+120°)+V_q×sin(θ_n+1+120°)    (10)

V_c＝V_d×cos(θ_n+1-120°)+V_q×sin(θ_n+1-120°)    (11)

应当注意，值k₁到k₅是设计系统10时，基于多个参数(包括所使用的计算机采样速率、功率驱动的状况、电流传感器的灵敏度、电动机的特性等)由用户设置的常量。

从前面的叙述中将会清楚得知，本发明提供了一种系统和方法，其中电动机端子电压是自适应的。更具体地说，三个电流信号首先被从静止坐标系分别旋转到转子同步坐标系内沿着纵向轴(I_d)和正交轴(I_q)的两个解耦电流分量。然后，在第一方面，通过对纵向轴电流分量施加比例和积分运算符，并加上沿着正交轴的电流分量和一个常数的积(见公式5)，得到沿着正交轴的电压(V_q)。在另一方面，以一个常量与纵向轴电流分量的积与电动机的速度和正交轴电流分量的积的和(见公式7)，得到沿着纵向轴的电压(V_d)。最后，将计算出的正交轴和纵向轴电压(V_q和V_d)从转子同步坐标系旋转回静止坐标系以产生电动机端子电压(V_a、V_b和V_c，见公式9-11)。

因此，该系统和方法响应速度和转矩的变化以及周围环境的变化，可以使用连续更新的角度值。

从上面的说明中还可以清楚地了解，本发明提供了一种用于控制具有转子和定子的三相永磁电动机的电路，包括可以将永磁电动机的相电流信号从静止坐标系分别旋转到转子同步坐标系内沿着纵向轴(I_d)和正交轴(I_q)的两个解耦电流分量的旋转器；用于沿着正交轴得到电压(V_q)，并且沿着纵向轴得到电压(V_d)的比例和积分运算器；可以将电压V_q和V_d从转子同步坐标系旋转回静止坐标系以产生电动机端子电压V_a、V_b和V_c的旋转器。

特别地，本领域的技术人员将会理解，本发明的方法和系统可以不用借助于位置传感器或永磁电动机易受环境影响的特性(诸如电动势)而控制永磁电动机，从而可以适应环境的状况。

虽然上面已经以具体的实施例说明了本发明，但是可以对其进行修改而不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和本质。

Claims (16)

1.一种用于控制永磁电动机的系统，包括电动机控制器和功率级，所述电动机控制器使用永磁电动机的相电流产生与永磁电动机的速度和转矩的改变有关的电压控制信号，这些电压控制信号被通过功率级反馈回永磁电动机。

2.如权利要求1的用于控制永磁电动机的系统，其中所述的永磁电动机是具有转子和定子的三相永磁电动机，其每一相分别承载着电流i_a、i_b和i_c。

3.如权利要求1或2的用于控制永磁电动机的系统，其中所述电动机控制器是产生连续旋转角的帕克矢量旋转单元。

4.如权利要求1到3中的任意一个的用于控制永磁电动机的系统，所述系统连续地响应永磁电动机的速度和转矩的变化以及周围环境的变化。

5.一种用于控制永磁电动机的方法，包括：

确定永磁电动机的每个相的电流；

获得与永磁电动机的速度和转矩的变化有关的电压控制信号；并且

将所述的电压控制信号反馈回永磁电动机。

6.如权利要求5的用于控制永磁电动机的方法，其中所述的确定永磁电动机的每个相的电流包括测量两个相的电流，并且使用关系式： $\underset{\mathrm{threephase}}{\mathrm{\Σ}}i=0---\left(4\right)$ 计算第三个相的电流。

7.如权利要求5或6的用于控制永磁电动机的方法，还包括计算永磁电动机的当前转矩T。

8.如权利要求7的用于控制永磁电动机的方法，其中所述对当前转矩T的计算包括以角-θ_n旋转永磁电动机的每个相的电流，以便根据固定在永磁电动机的转子轴上的d-q轴上的如下关系输出两个电流I_d和I_q：

I_d＝2/3×[i_a×cos(θ_n)+i_b×cos(θ_n+120°)+i_c×cos(θ_n-120°)]    (2)

I_q＝2/3×[i_a×sin(θ_n)+i_b×sin(θ_n+120°)+i_c×sin(θ_n-120°)]    (3)

9.如权利要求6到8的任意一个的用于控制永磁电动机的方法，其中所述获得电压控制信号包括：

计算电流旋转角θ_n+1；

计算两个电压输出V_q和V_d；并且

以角θ_n+1旋转电压输出V_q和V_d。

10.如权利要求9的用于控制永磁电动机的方法，其中所述对电流旋转角度θ_n+1的计算是以公式θ_n+1＝θ_n+k₁×ω+k₂×T(1)使用永磁电动机的当前转矩T和速度ω完成的，其中k₁和k₂是常量。

11.如权利要求9或10的用于控制永磁电动机的方法，其中所述对两个电压输出V_q和V_d的计算包括：

计算固定在转子轴上的d-q轴上的电压输出V_q：V_q＝PI(I^*-I_d)+k₃×I_q(5)，其中k₃是常量，“PI”表示比例和积分运算符，定义如下：PI(x)＝ax+b∫xdt(6)，其中a和b是常量，并且积分是对时间进行的；并且

根据固定在转子轴上的d-q轴上的下列关系，计算电压输出V_d：

V_d＝k₅×I_d+k₄×I_q×ω(7)，其中k₄和k₅是常量。

12.如权利要求10或11的用于控制永磁电动机的方法，其中所述获得电压控制信号包括：根据下面的公式V_a＝V_d×cos(θ_n+1)+V_q×sin(θ_n+1)(9)、V_b＝V_d×cos(θ_n+1+120°)+V_q×sin(θ_n+1+120°)(10)和V_c＝V_d×cos(θ_n+1-120°)+V_q×sin(θ_n+1-120°)(11)获得三个电压控制信号V_a、V_b和V_c。

13.如权利要求5到12中任意一个的用于控制永磁电动机的方法，其中所述的常量是基于从包括所使用的计算机采样速率、功率驱动的状况、用于电流测量的电流传感器的灵敏度和永磁电动机的特性的一个组中选出的多个参数而设置的。

14.用于控制具有转子和定子的三相永磁电动机的电路，包括旋转器：可以将永磁电动机的相电流信号从静止坐标系分别旋转到转子同步坐标系中沿着纵向轴(I_d)和正交轴(I_q)的两个解耦电流分量；比例和积分运算器：用于得到沿着正交轴的电压(V_q)和沿着纵向轴的电压(V_d)；旋转器：可以将电压V_q和V_d从转子同步坐标系旋转回静止坐标系以便产生永磁电动机的端子电压V_a、V_b和V_c。

15.一种用于控制具有转子和定子的三相永磁电动机的方法，包括：将永磁电动机的相电流信号从静止坐标系分别旋转到转子同步坐标系中沿着纵向轴(I_d)和正交轴(I_q)的两个解耦电流分量；得到沿着正交轴的电压(V_q)；得到沿着纵向轴的电压(V_d)；将电压V_q和V_d从转子同步坐标系旋转回静止坐标系以便产生永磁电动机的端子电压V_a、V_b和V_c。

16.一种用于控制具有三个相的永磁电动机的方法，所述的三个相的每个相分别承载着电流i_a、i_b和i_c，所述的方法包括：

确定电流i_a、i_b和i_c；

以角度-θ_n旋转i_a、i_b和i_c以产生电流I_d和I_q；

计算永磁电动机的当前转矩；

计算电流旋转角θ_n+1；

计算电压输出V_q；

计算电压输出V_d；

以角度θ_n+i旋转电压V_q和V_d以产生三个电压控制信号V_a、V_b和V_c；和

将电压控制信号V_a、V_b和V_c施加到永磁电动机上。