CN1937393A - 磁场削弱电动机控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电机的控制系统包括磁通减弱模块，所述磁通减弱模块包括用来接收d轴和q轴指令电压并产生电压幅度的电压幅度计算器。误差电路将所述电压幅度与参考电压进行比较并产生误差信号。控制器接收所述误差信号并产生反馈磁通校正信号。限制器将所述反馈磁通校正信号限制到预定的磁通值并产生受限的反馈磁通校正信号。前馈定子磁通产生电路产生前馈定子磁通信号。加法电路将所述所需前馈定子磁通和所述受限的反馈磁通校正信号相加，产生最终定子磁通指令。

Description

磁场削弱电动机控制系统和方法

技术领域

本发明涉及在恒定转矩和磁通减弱区域中永磁(PM)电动机的控制，更具体地说，涉及调节磁通以改善永磁电动机在超出基本速度之外的性能。

背景技术

矢量控制的PWM电压源逆变器可用来激励PM电动机，例如内永磁(IPM)电动机。利用此方法可以提供精确的转矩控制、改进的动态响应以及提高的电动机效率。减少电动机内的磁通，也称为磁通或磁场削弱，可以提供较高速度下PM电动机的改进的电源性能。PM电动机中的磁通减弱可以通过调节定子激励来实现。

在恒定转矩区域中，闭环电流调节器控制着所加的PWM电压激励，所以瞬时相电流随它们的指令值而变。但是，当电动机的端子电压达到PWM逆变器的最大电压时，在较高速度时会发生电流调节器的饱和。超过这一点，磁通就应减弱以维持适当的电流调节直到最大电动机速度。

传统的磁场削弱方法依赖于电压控制环路或电流角度控制环路。电压控制环路固有地具有较差的动态性能。此外，对于具有磁阻和磁通的IPM电机，把电压控制环路用于磁场削弱不能保证在磁场削弱区域中有每安培最佳转矩。

电流角度控制环路方法不能用于高反电动势(EMF)PM电机，因为在较高速度下不加转矩时所述环路不能注入任何磁场削弱电流。此外，对于给定的恒定转矩指令，当驱动进入磁场削弱并达到最大速度时，电流角度控制环路方法不会维持恒定的已形成转矩(即转矩的线性)。

发明内容

用于永磁电机的磁通减弱模块包括前馈定子磁通项和补偿反馈磁通校正项。前馈定子磁通项提供主磁场削弱磁通值。反馈磁通校正项在动态条件下改进稳定性，并且在稳态下补偿参数变化。加入所述两项并对其进行限制以提供最终定子磁通指令。

用于具有转子的永磁(PM)电机的控制系统包括电压指令模块，它接收所需转矩指令、DC链路电压、PM电机转子的角速度、最终定子磁通指令以及转子的角位置。电压指令模块产生d轴和q轴指令电压。指令模块利用转子的角位置来对d轴和q轴指令电压进行矢量旋转，以产生第一和第二稳态电压指令。脉冲宽度调制(PWM)逆变器接收所述第一和第二稳态电压指令，产生用于PM电机的相电压信号。磁场削弱模决利用前馈定子磁通指令和反馈磁通校正指令产生最终定子磁通指令。

在其它特征方面，电压指令模块包括转矩限制器，它将所需转矩指令限制在上下极限之间并产生修改的所需转矩指令。d轴电流模块基于计算的最终定子磁通指令和修改的所需转矩指令产生d轴电流指令信号。q轴电流模块基于计算的最终定子磁通指令和修改的所需转矩指令产生q轴电流指令信号。

在其它特征方面，同步电流调节器接收d轴和q轴电流指令信号，并产生d轴和q轴电压指令信号。电压指令模块包括同步到稳态模块，所述同步到稳态模块接收所述d轴和q轴电压指令信号以及转子位置，并产生第一和第二稳态电压指令。

在还有的其它特征方面，转子位置变换器测量转子位置并产生转子位置信号。或者，转子位置估算器估算转子位置并产生转子位置信号。

本发明可适用的其它领域从以下提供的详细说明中可一目了然。应理解，详细说明和具体实例示明了本发明的优选实施例，但仅是为了说明，而非旨在限制本发明的范围。

附图说明

从详细说明和附图可以更充分地理解本发明，附图中：

图1A是按照本发明的用于永磁电动机的电动机控制系统的功能方框图；

图1B是图1A的电动机控制系统的更详细的功能方框图；

图2示出直接轴(d轴)电流(I_d)、所需转矩以及计算的最终定子磁通指令的示范查阅表；

图3示出正交轴(q轴)电流(I_q)、所需转矩以及计算的最终定子磁通指令的示范查阅表；

图4是显示示范实施例中转矩瞬态期间恒定电动机速度下的磁场削弱性能的曲线图；

图5是显示示范实施例中速度瞬态期间50％的恒定指令转矩下的磁场削弱性能的曲线图；

图6是显示示范实施例中速度瞬态期间100％的恒定指令转矩下的磁场削弱性能的曲线图；以及

图7是图解说明按照本发明的磁场削弱控制系统中的工作区域的曲线图。

具体实施方式

以下对优选实施例的说明仅是示范性质，绝不旨在限制本发明，其应用或使用。在本文中，术语“模块”是指专用集成电路(ASIC)、控制器、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群)和存储器、组合逻辑电路或提供所述功能的其它适合的组件。

在同步旋转参考系中IPM的电压方程可以用以下矩阵形式表示：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ds}}^e\\ V_{\mathrm{qs}}^e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s& -{\mathrm{\ω}}_e{L}_{\mathrm{qs}}\\ {\mathrm{\ω}}_e{L}_{\mathrm{ds}}& R_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}^e\\ i_{\mathrm{qs}}^e\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\φ}}_f\end{array}\right]---\left(1\right)$

V^e _ds和V^e _qs为同步参考系中d轴和q轴电动机端子电压。i^e _ds和i^e _qs为同步参考系中d轴和q轴电动机端子电流。L_ds和L_qs为d轴和 轴定子自感。R_s是定子电阻。φ_f是永磁磁通匝数。ω_e为电角速度。

IPM已形成的转矩方程表示如下：

$T_e=\frac{3P}{4}\[{\mathrm{\φ}}_f{i}_{\mathrm{qs}}^e+(L_{\mathrm{ds}}-L_{\mathrm{qs}})i_{\mathrm{qs}}^e{i}_{\mathrm{ds}}^e\]---\left(2\right)$

式中P为极数。DC链路电压和PWM策略限制最大电压V_smax。逆变器的电流额定值和电机的热额定值限定最大电流I_smax。所以，电动机的电压和电流具有以下的极限值：

$V_{\mathrm{ds}}^{e^2}+V_{\mathrm{qs}}^{e^2}\≤{V_{s\max }}^2---\left(3\right)$

$i_{\mathrm{ds}}^{e^2}+i_{\mathrm{qs}}^{e^2}\≤{I_{s\max }}^2---\left(4\right)$

按照本发明的磁场削弱算法在方程(3)和(4)划定的极限值范围内工作。虽然本说明是关于IPM电机，但专业技术人员应理解按照本发明的磁场削弱方法适用于内永磁(或埋置磁体)电机、表面安装磁体电机、同步磁阻型电机以及其它类似电机。

根据给定转矩，转矩方程(2)代表dq电流平面上的恒定转矩曲线。在恒定转矩线上，磁通幅度作为d轴电流的函数可表达如下：

$\begin{array}{cc}& |{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dqn}}{|}^2={\left(\mathrm{\ρ}{L}_{\mathrm{dn}}{i}_{\mathrm{qn}}\right)}^2+{({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fn}}+L_{\mathrm{dn}}{i}_{\mathrm{dn}})}^2\\ & =\frac{{\mathrm{\ρ}}^2{L}_{\mathrm{dn}}^2{T_e}^2}{{\{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fn}}-(\mathrm{\ρ}-1)L_{\mathrm{dn}}{i}_{\mathrm{dn}}\}}^2}+{({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fn}}+L_{\mathrm{dn}}{i}_{\mathrm{dn}})}^2\end{array}---\left(5\right)$

式中下标‘n’表示归一化数值，而p是凸极性比(saliencyratio)L_qn/L_dn。

方程(5)中的磁通幅度因第二项而随d轴电流幅度增加。此外，当d轴电流收敛到渐进线时，I_dn＝φ_fn/(p1)L_dn，它增加到无穷大，因为第一项的分母收敛到零。恒定转矩曲线上具有最小磁通幅度的工作

点从方程(5)的微分导出如下：

${\frac{d}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dn}}}\left|{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dqn}}\right|}^2=\frac{2{\mathrm{\ρ}}^2{{{L_{\mathrm{dn}}}^{3_T}}_e}^2(\mathrm{\ρ}-1)}{{\{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fn}}-(\mathrm{\ρ}-1)L_{\mathrm{dn}}{i}_{\mathrm{dn}}\}}^3}+{2L}_{\mathrm{dn}}({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fn}}+L_{\mathrm{dn}}{i}_{\mathrm{dn}})=0---\left(6\right)$

对于满足(6)的任何工作点，磁通幅度恒定不变，且在电动机速度固定时电压幅度的变化为零。具有恒定输出电压的工作点用关于速度的椭圆表示，磁通幅度的变化在椭圆上为零。

图7示出在DQ电流平面上绘制的从方程3和4求出的电压和电流极限值。对于给定速度，电压极限椭圆具有恒定的电压幅度和恒定的磁通等级。所以恒定转矩曲线上的最小磁通幅度工作点发生在恒定转矩曲线和恒定电压椭圆的交叉点处。具有最小磁通幅度的许多点可以用一条线来表示，将其命名为MFPT(根据转矩的最小磁通)线。在恒定转矩曲线上，磁通幅度随着工作点接近MFPT线而减小，反之亦然。

图7示出由MTPA线(每安培最大转矩线)、电流极限线(即AB)以及MFPT线分成的三个工作区域。在三个区域中磁场削弱操作可以概述如下：在区域1，这个区域中的工作点(在线OA右侧)对于给定的转矩指令需要比MPTA线上更大的电流。此外，这个区域中的工作点需要比MPTA线上更大的磁通幅度和输出电压。为此，磁场削弱操作选择MPTA线上作为转矩指令的函数的工作点，而不是所述区域中的工作点。

在区域2，这个区域中的工作点(在线OA和BC之间)对于给定的转矩指令需要比MPTA线上更大的电流，但它们要求较小的磁通幅度和输出电压，因为它们靠近MFPT线。在磁场削弱控制中，当需要磁场削弱时，将d和q轴电流参考值从MTPA线调节到这个区域中的MFPT线。

在区域3，由于这个区域中的工作点(在线BC左侧)需要比区域2更大的输出电流和电压幅度，所建议的算法不使用所述区域。

在正常工作时，当转矩指令增加时，电流轨迹追随MTPA线。

如果由于电动机速度增加或DC链路电压减小而需要磁场削弱时，将d和q轴电流参考值沿恒定转矩线从MTPA线调节到MFPT线。通过在恒定转矩曲线上的移动，即使在磁场削弱区域电动机转矩也可按照转矩指令加以控制，从而维持了适当的转矩线性。当工作点沿恒定转矩线移到左面时，每安培转矩减小。当工作点通过磁场削弱操作到达MFPT线时，在维持恒定转矩的同时就不可能进一步减小磁通。代之以，建议的控制将工作点沿MFPT线向C点调节，以减弱磁通幅度，输出转矩也就减小了。

现参阅图1，图中示出用于永磁(PM)电机14的电动机控制系统10。电动机控制系统10对PM电机14在高速工作时提供改进的动态性能和转矩线性。电动机控制系统10包括脉冲宽度调制(PWM)电压源逆变器18，后者对PM电机14的定子提供三相激励。控制模块22与PWM逆变器18通信并对其进行控制。PWM逆变器18输出相电压信号26a、26b和26c，用来控制PM电机14的工作。

控制模块22接收所需转矩指令，所述指令表明所需的输出转矩等级。控制模块22利用DC链路电压输入、转子角速度输入和所需转矩指令产生第一和第二稳态电压指令V_α和V_β。将第一和第二稳态电压指令V_α和V_β输入到PWM逆变器18中。

根据第一和第二稳态电压指令V_α和V_β，PWM逆变器输出三相电压信号26a、26b和26c。电压信号26a、26b和26c控制PM电机14的工作。更具体地说，控制模块22产生第一和第二稳态电压指令V_α和V_β，以便使电压信号26a、26b和26c减小PM电机14的定子磁通并提高转子速度，同时将电动机所产生的电压大致维持在PWM逆变器18的最大电压输出或以下。

现参阅图1B，输入到控制系统中的是转矩指令(T_e ^*)。转矩指令T_e ^*输入到转矩限制器42，后者将转矩指令限制在上下转矩极限值之间。所述极限基于DC链路电压V_dc(即逆变器电池或其它DC电压源的电压)和转子的角速度ω_r。限制器42产生修改的转矩指令(T_e ^**)。

修改的转矩指令(T_e ^**)和计算的定子磁通指令

(ψ^* _s)(利用下述的磁场削弱模块44产生)分别用作d轴和q轴查阅表46和48的索引。

d轴和q轴查阅表46和48分别产生d轴和q轴定子电流指令(I_d ^*和I_q ^*)。然后将这些电流指令馈入防缠绕同步电流调节器模块60，以产生指令电压V_d ^*和V_q ^*。指令电压V_d ^*和V_q ^*是利用转子位置传感器所产生的转子角位置(θ_r)作矢量旋转，和/或使用同步到稳态变换模块70，利用无传感器技术(以转子位置模块64来识别)来估算。将稳态输出电压V_α ^*和V_β ^*馈入到PWM逆变器18，后者将交变的三相电压加到PM电机14的定子绕组上。

将同步参考系电压指令V_d ^*和V_q ^*提供到电压幅度(V_mod)计算器80，后者产生输出V_mod，将所述输出V_mod与参考电压(V_ref)进行比较，如果需要进一步的磁场削弱就产生误差信号E_f。幅度计算器80从两个正交DQ电压分量计算定子电压幅度，如方程(7)所示：

$V_{\mathrm{mod}}=\sqrt{{\left(V_{\mathrm{ds}}^e\right)}^2+{\left(V_{\mathrm{qs}}^e\right)}^2}---\left(7\right)$

将加法模块84所产生的误差信号E_f馈入防缠绕比例积分(PI)型控制器90。

防缠绕PI控制器90的输出由限制器94处理以确保磁场的安全减小。换句话说，限制器94将磁场削弱限制到预定值。分配器96用来利用参考电压(V_ref)和角速度(ω_r)计算前馈定子磁通(ψ^* _st)。限制器94的输出通过加法器100与分配器的输出相加，产生最终定子磁通指令。在正常工作时，分配器96计算的前馈定子磁通提供了所需的磁场削弱，以便保持电流控制。但是，当利用分配器96计算的前馈定子磁通指令不提供足够的磁场削弱时，元件80、84、90和94自动启动以稳定磁通减弱工作。加法器100的输出被输入到限制器110，后者限制低速时的自动磁通，并在恒定转矩区域产生恒定磁通。

首先利用上述方程(1和2)通过电机特性获得自感L_ds和L_qs。从所获得的电感，利用数据处理，导出图1B中的d轴和q轴电流查阅表46和48，作为修改的转矩指令Te^**和最终定子磁通指令ψ^* _s的函数。图2和3示出一个实施方案的d轴和q轴电流、转矩和定子磁通之间的关系。

图2和3所示的d轴和q轴查阅表提供了用于任何给定速度的适用d轴和q轴指令电流、所需转矩以及DC链路总线电压。换句话说，这些表在恒定转矩以及恒定功率区域都很适用。在恒定转矩区域(即低于基本速度)中，当转矩指令增加时，d轴和q轴电流指令按照轨迹A增加，如图2和3所示。在恒定功率区域(磁场削弱区域或高于基本速度)中，对于给定的恒定转矩指令，按照如图2和3所示的轨迹B，q轴电流指令减小而d轴电流指令增加。由于类似的查阅表用于恒定转矩和恒定功率区域，在这两个区域之间的进出在有负载和空载情况下都是透明的。

利用一个70kW的IPM电机来实现上述本发明的磁场削弱方法并对其进行测试。使用所述磁场削弱方法获得的实验结果示于图4、5和6。

现参阅图4，图中示出按照本发明磁场削弱方法的改进的动态响应。在测试时，被测装置的机械速度保持恒定，并将0到100％的转矩瞬态值加到驱动上。如图4所示，DC链路总线随转矩瞬态值凹陷了约20％。所述凹陷影响了d轴和q轴电流指令的瞬态响应。但是，在大约100msec内最佳电流指令就已建立。

现参阅图5，图中示出的磁场削弱方法用于电动机速度在3000rpm和5000rpm之间并加有负载转矩的情况。如图5所示，当驱动加速时，调节器电压V_mod的输出开始增加。V_mod增加到大约3700rpm，然后保持恒定。同时，定子磁通不停地下降，此时速度达5000rpm。假定磁场削弱将d_r逆变器输出电压调节到预定的参考电平V_ref。当驱动开始从5000rpm到3000rpm减速时，可以观察到退出磁场削弱。由图5还可见，在恒定转矩和恒定功率区域中所形成的转矩T_fdbk是恒定的，这就提供了良好的转矩线性，只要指令转矩小于或等于电机的设计转矩极限即可。如果当驱动从0加速到最大速度时可以支配100％额定转矩，那么，恒定功率区域中的可用最大转矩就会减小，以防止电机过热和机械损坏。

现参阅图6，图中示出在满负载情况下速度瞬态值在3000到5000rpm之间的磁场削弱性能。可以观察到当驱动进入恒定功率区域时所形成的转矩减小。所以，图4、5和6成功展示了在快速动态条件下按照本发明的磁场削弱方法的好处。

本发明的磁场削弱方法在磁场削弱范围内提供了改进的动态响应，并在磁场削弱时维持了转矩的线性。所述磁场削弱方法对DC链路电压不敏感，可以在低和高反EMF型电机中工作。

本专业的技术人员从以上说明可以理解，本发明的广泛内容可以用各种形式实现。所以，虽然已结合具体实例对本发明作了说明，但本发明的真正范围并不限于此，因为对于本专业的技术人员来说，在研究了附图、说明书以及以下权利要求书之后，其它的修改就会显而易见了。

Claims (16)

1.一种用于永磁电机的磁通减弱模块，它包括：

电压幅度计算器，它接收d轴和q轴指令电压并产生定子电压幅度；

误差电路，它将所述电压幅度与参考电压进行比较并产生误差信号；

控制器，它接收所述误差信号并产生反馈磁通校正信号；

限制器，它将所述反馈磁通校正信号限制到预定磁通值并产生受限的反馈磁通校正信号；

前馈定子磁通产生电路，它产生前馈定子磁通；以及

加法电路，它将所述前馈定子磁通和所述受限的反馈磁通校正信号相加，产生计算的最终定子磁通指令。

2.如权利要求1所述的磁通减弱模块，其中还包括限制器，所述限制器限制所述计算的最终定子磁通指令。

3.如权利要求1所述的磁通减弱模块，其中所述控制器是防缠绕比例积分控制器。

4.如权利要求1所述的磁通减弱模块，其中所述前馈定子磁通产生电路基于所述参考电压和所述PM电机转子的角速度来产生所述前馈定子磁通指令。

5.一种用于包括转子的永磁(PM)电机的控制系统，所述系统包括：

电压指令模块，它接收所需转矩指令、DC链路电压、所述PM电机转子的角速度、计算的最终定子磁通以及转子的角位置，所述电压指令模块产生d轴和q轴指令电压并利用所述转子的角位置矢量旋转所述d轴和q轴指令电压，以产生第一和第二稳态电压指令；

磁场削弱模块，它接收所述d轴和q轴指令电压并产生反馈定子磁通校正；以及

脉冲宽度调制(PWM)逆变器，它接收所述第一和第二稳态电压指令，并产生用于所述PM电机的相电压信号。

6.如权利要求5所述的控制系统，其中所述电压指令模块包括转矩限制器，所述转矩限制器将所述所需转矩指令限制在上和下极限值之间并产生修改的所需转矩指令。

7.如权利要求5所述的控制系统，其中所述电压指令模块包括：

d轴电流模块，它根据所述计算的最终定子磁通和所述修改的所需转矩指令产生d轴电流指令信号；以及

q轴电流模块，它根据所述计算的最终定子磁通和所述修改的所需转矩指令产生q轴电流指令信号。

8.如权利要求7所述的控制系统，其中所述d轴电流模块和所述q轴电流模块中至少一个是查阅表。

9.如权利要求7所述的控制系统，其中所述电压指令模块还包括：

同步电流调节器，它接收所述d轴和q轴电流指令信号，并产生所述d轴和q轴电压指令信号。

10.如权利要求9所述的控制系统，其中所述电压指令模块包括同步到稳态模块，它接收所述d轴和q轴指令电压和所述转子位置，并产生所述第一和第二稳态电压指令。

11.如权利要求5所述的控制系统，其中还包括转子位置变换器，所述转子位置变换器测量所述转子位置并产生转子位置信号。

12.如权利要求5所述的控制系统，其中还包括转子位置估算器，所述转子位置估算器估算所述转子位置并产生转子位置信号。

13.如权利要求5所述的控制系统，其中所述磁通减弱模块包括：

电压幅度计算器，它接收所述d轴和q轴指令电压并产生电压幅度；

误差电路，它将所述电压幅度与参考电压进行比较并产生误差信号；

控制器，它接收所述误差信号并产生反馈磁通校正信号；

限制器，它将所述反馈磁通校正信号限制到预定的磁通值并产生受限的反馈磁通校正信号；

前馈定子磁通产生电路，它产生前馈定子磁通信号；以及

加法电路，它将所述所需前馈定子磁通和所述受限的反馈磁通校正信号相加，产生最终定子磁通指令。

14.如权利要求13所述的控制系统，其中还包括限制器，所述限制器限制所述最终定子磁通指令。

15.如权利要求14所述的控制系统，其中所述控制器是防缠绕比例积分控制器。

16.如权利要求14所述的控制系统，其中所述前馈定子磁通产生电路基于所述参考电压和所述PM电机转子的角速度产生所述前馈定子磁通指令。

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