ES2853223T3 - Aparato para hacer funcionar un motor síncrono de imanes permanentes interior - Google Patents

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Abstract

Un aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior IPMSM (20) que recibe un torque de comando para accionar el IPMSM (20) en un sistema que incluye un detector (30) que mide una posición y una velocidad de un rotor del IPMSM; el aparato que comprende: una unidad de salida (11) que genera y emite un comando de corriente que acciona un torque máximo por amperio (MTPA) basado en el torque de comando; una unidad de corrección (12) que corrige el comando de corriente emitido por la unidad de salida; una unidad de retroalimentación (13) que transmite información de tensión sobremodulada a la unidad de corrección; una unidad de control (14) que controla el comando de corriente para dar salida a una tensión; una primera unidad de límite (16) que limita una salida de la unidad de control (14) mediante el uso de una tensión máxima sintetizable por una unidad inversora (17); y la unidad inversora (17) aplica un comando de tensión trifásico para rastrear un torque de comando al IPMSM (20) mediante el uso de una salida de la primera unidad de límite (16); el aparato caracterizado porque: la unidad de salida (11) comprende una segunda unidad de límite (41) que limita un tamaño del comando de torque a un intervalo máximo predeterminado y un intervalo mínimo predeterminado; una primera unidad de cálculo (42) que calcula un torque de comando normalizado al dividir una salida de la segunda unidad de límite por un torque normalizado; unidades de tabla de búsqueda 1-D (43a y 43b) que emiten un comando de corriente normalizado mediante el uso del torque de comando normalizado; y unas segundas unidades de cálculo (44a y 44b) que emiten un comando de corriente que acciona un MTPA al multiplicar el comando de corriente normalizado por la corriente normalizada; en donde la unidad de corrección (12) comprende una unidad de procesamiento (51) que corrige un comando de corriente que acciona el MTPA mediante el uso de un vector unitario que mantiene un torque constante, y una tercera unidad de límite (52) que limita el tamaño de la corriente del comando de corriente corregido por la unidad de procesamiento (51); en donde la tercera unidad de límite (52) proporciona una prioridad a una corriente del eje d en el marco de referencia síncrono con relación al comando de corriente corregido, emite la corriente del eje d en la prioridad dentro de un tamaño de una corriente nominal, y selecciona como intervalo permisible de un comando de corriente del eje q un equilibrio donde el tamaño de la corriente del eje d se resta de la corriente nominal.

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato para hacer funcionar un motor síncrono de imanes permanentes interior
Antecedentes de la descripción
Campo técnico
La presente descripción se refiere a un aparato de accionamiento de motor, y más particularmente a un aparato de accionamiento para hacer funcionar un motor síncrono de imanes permanentes interior a una velocidad superior a la velocidad nominal.
Antecedentes
La información descrita en esta sección de Antecedentes de la invención es solo para mejorar la comprensión de los antecedentes de la invención y no debe tomarse como un reconocimiento o cualquier forma de sugerencia de que esta información forma la técnica anterior ya conocida por una persona experta en la técnica.
Un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) accionado por un inversor de tensión se opera generalmente bajo un modo de control de velocidad o un modo de control de torque. El modo de control de velocidad sirve para accionar una carga de elevación, como un elevador o una manivela, o una carga de velocidad variable, como un ventilador o una bomba, y el modo de control de torque funciona para accionar un motor de tracción de un vehículo eléctrico.
Generalmente, se proporciona una salida de un controlador de velocidad en un comando de torque en un modo de control de velocidad, y un modo de control de velocidad de un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) incluye un modo de control de torque. Como resultado, todo el modo de control de velocidad y el modo de control de torque obtienen un comando de corriente del comando de torque y realizan un control de corriente, de manera que se controla el PMSM.
El inversor de tensión realiza un control de corriente bajo una tensión limitada vinculada a DC y una condición de corriente limitada para rastrear un comando de torque. Sin embargo, existe un problema en el seguimiento de un comando de torque debido a la tensión limitada del enlace de DC y la condición de corriente limitada, en el caso de que se necesite una activación a alta velocidad del PMSM.
La figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra un sistema de accionamiento de un motor síncrono de imanes permanentes interior de acuerdo con la técnica anterior, donde el sistema se acciona por un inversor realizado por un control vectorial que controla independientemente una corriente de flujo y una corriente de torque a partir de un torque de instrucción.
El sistema de accionamiento convencional incluye un inversor (101), un IPMSM (102) y un detector de posición del rotor (103) acoplado a un rotor del IPMSM.
El inversor (101) recibe un torque de comando para dar salida a las tensiones (Vas, Vbs, Vcs) capaces de accionarse por el torque de comando, y el detector de posición del rotor (103) calcula o mide una posición del rotor o una velocidad del rotor
La posición del rotor calculada o medida por el detector de posición del rotor (103) se usa para el cambio de coordenadas por los convertidores de coordenadas (106, 110), y la velocidad del rotor se usa por un generador de comando de corriente (104).
El generador de comando de corriente (104) emite un comando de corriente en un marco de referencia síncrono en respuesta al torque de comando, la velocidad del rotor y la tensión del enlace de DC del inversor. En el caso del IPMSM, el generador de comando de corriente (104) generalmente usa una tabla de búsqueda 2-D, donde la tabla de búsqueda emite comandos de corriente de los ejes d y q en un marco de referencia síncrono con relación a una región de accionamiento completa.
Un regulador de corriente (105) sirve para controlar los comandos de corriente obtenidos del generador de comando de corriente (104) para dar salida a las tensiones de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono.
El conversor de coordenadas (106) usa la información de posición del rotor obtenida por el detector de posición del rotor (103) para convertir una tensión de salida de un controlador de corriente (105) a una tensión en un marco de referencia estacionario.
Un limitador de tensión (107) usa un círculo inscrito de un hexágono de límite de tensión para convertir una tensión del convertidor de coordenadas (106) en una tensión sintetizable por una unidad inversora (108). La condición de límite de tensión del limitador de tensión (107) se determina por la tensión del enlace de DC, y la tensión posicionada en un exterior del círculo inscrito del hexágono de límite de tensión se evita que salga y permanece en el círculo inscrito del hexágono de límite de tensión.
La unidad inversora (108) es un inversor de tipo tensión que incluye un semiconductor de energía tal como un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) o un MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico), y suministra los comandos de tensión (Vas, Vbs, Vcs) para seguir un torque de comando al IPMSM (102).
Un sensor de corriente (109) se interpone entre el IPMSM (102) y el inversor (108) para medir una corriente de fase aplicada al IPMSM (102), y la corriente medida por el sensor de corriente (109) se devuelve como retroalimentación al generador de comando de corriente (104) y el controlador de corriente (105) en respuesta a la conversión de coordenadas del convertidor de coordenadas (110).
Las ecuaciones de tensión en el marco de referencia síncrono de IPMSM (102) se proporcionan a continuación: [Ecuación 1]
v ds = R s jds
Figure imgf000003_0001
[Ecuación 2]
.
Vís = R síqs Lqs
Figure imgf000003_0002
donde, un superíndice 'r' representa una variable en el marco de referencia síncrono, un subíndice 's' representa una variable de marco de referencia estacionario, W representa una velocidad angular del rotor,
Figure imgf000003_0003
y
Figure imgf000003_0004
representan respectivamente las corrientes de los ejes d y q del estator en el marco de referencia síncrono,
‘VI.
y
Figure imgf000003_0005
representan respectivamente las tensiones de los ejes d y q del estator en el marco de referencia síncrono,
‘A r ds ’
y
‘Ar qs ' >
representan respectivamente los flujos del rotor de los ejes d y q del estator en el marco de referencia síncrono, Rs, Lds y Lqs representan respectivamente las inductancias de los ejes d y q de la resistencia del estator.
Una condición de límite de activación de IPMSM (102) se divide en una condición de límite de tensión y una condición de límite de corriente, y se expresa como en:
[Ecuación 3]
Figure imgf000003_0006
[Ecuación 4]
( I D 2 O q s)2 < Os.max)2
donde, Vs,max define un tamaño de tensión máxima sintetizable por el inversor (101), e Is,max define una corriente máxima o nominal de IPMSM (102).
La figura 2 es una vista ilustrativa que ilustra una región de accionamiento del IPMSM de la figura 1, donde A es una curva de un torque constante, y las corrientes en los ejes d y q en el marco de referencia síncrono con relación a un torque de comando constante pueden tener una combinación infinita, B es una condición de limitación de corriente del inversor como se muestra en la Ecuación 4 anterior, y C y D son ejemplos de condición de límite de tensión en respuesta a la velocidad del rotor, como se muestra en la Ecuación 3 anterior.
La condición de límite de tensión en la región de activación del IPMSM (102) se cambia en respuesta a la velocidad del rotor, donde a medida que aumenta la velocidad del rotor, el tamaño de la condición de límite de tensión en la dirección E disminuye.
Los tamaños de las corrientes de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono controlable por el inversor (101) con relación al torque de comando constante se determinan en un intervalo que satisface tanto un interior de la condición de límite de corriente de B como un interior de la condición de límite de tensión de C o D. En caso de que un margen de tensión sea suficiente, la condición de límite de tensión no se ve afectada por factores limitantes, de manera que sería ventajoso rastrear un comando de corriente que impulse un MTPA (torque máximo por amperio) en términos de eficiencia de IPMSM (102).
Por ejemplo, en caso de que se dé un comando de torque predeterminado de A, y se proporcione una condición de límite de tensión como C, se determina en F un comando de corriente para seguir un torque de comando, donde F es un punto de activación para satisfacer el MTPA.
Sin embargo, en el caso de que la velocidad del rotor aumente para hacer que la condición de límite de tensión se mueva de C a D, el punto de activación debe moverse a G capaz de mantener el torque de salida máximo donde F es una región de corriente incontrolable por el inversor (101). El proceso de movimiento del comando de corriente como se describió anteriormente tiene una relación no lineal porque una inductancia de IPMSM (102) se satura de acuerdo con el tamaño de la corriente.
Por lo tanto, la característica del IPMSM (102) se mide fuera de línea durante la activación del IPMSM (102) para preparar al menos dos tablas más de búsqueda 2-D, y el generador de comando de corriente (104) de la figura 1 se hace para generar un comando de corriente en el marco de referencia síncrono basado en el torque constante, la velocidad de activación y la tensión del enlace de DC. La tabla de búsqueda 2-D ingresa el comando de torque y la información de flujo para generar comando de corriente de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono. En este momento, la información de flujo puede obtenerse al dividir la tensión del enlace de DC por la velocidad del rotor. Una corriente de retroalimentación del generador de comando de corriente (104) y el convertidor de coordenadas (110) de la figura 1 se introduce en el limitador de corriente (105). El limitador de corriente (105) es un controlador proporcional e integral para sintetizar una tensión de salida según las siguientes ecuaciones.
[Ecuación 5]
Figure imgf000004_0001
[Ecuación 6]
Figure imgf000004_0002
El convertidor de coordenadas (106) convierte una tensión de salida del limitador de corriente (105) en el marco de referencia síncrono a una tensión en el marco de referencia estacionario mediante el uso de las siguientes ecuaciones.
[Ecuación 7]
Vds; = Vdr> s 0 - V-se n 0
[Ecuación 8]
Vqs = V¿*cos0 Vq’sen 0
El limitador de tensión (107) limita una tensión del convertidor de coordenadas (106) y emite la tensión, de manera que un comando de tensión puede existir dentro del círculo inscrito de la condición de límite de tensión expresada por un hexágono en el marco de referencia estacionario, y la unidad inversora (108) sintetiza una tensión de las siguientes ecuaciones del limitador de tensión (107) y suministra la tensión al IPMSM (102).
[Ecuación 9]
Figure imgf000005_0001
[Ecuación 10]
Figure imgf000005_0002
[Ecuación 11]
Figure imgf000005_0003
Los sensores de corriente (109a-109c) miden una corriente de fase entre la unidad inversora (108) y el IPMSM (102). El convertidor de coordenadas (110) convierte la corriente de fase en una corriente en el marco de referencia síncrono mediante el uso de las siguientes ecuaciones y proporciona la corriente al limitador de corriente (105) como retroalimentación.
[Ecuación 12]
Figure imgf000005_0004
[Ecuación 13]
Figure imgf000005_0005
[Ecuación 14]
Figure imgf000005_0006
[Ecuación 15]
Figure imgf000005_0007
Sin embargo, existe el problema de que el rendimiento del sistema de activación del IPMSM de la figura 1 se deteriora, porque el generador de comando de corriente (104) usa una tabla de búsqueda premedida (fuera de línea) para hacer que los parámetros del sujeto del IPMSM se modifiquen.
Además, existe otro problema en el sentido de que, incluso si los parámetros de sujeto del IPMSM no se cambian, el rendimiento de activación del motor se determina por el rendimiento de la tabla de búsqueda, porque la tabla de búsqueda determina el rendimiento de una región de activación completa.
Existe todavía otro problema en el que la tasa de utilización de tensión del inversor disminuye para disminuir de esta manera el torque de salida, porque la cantidad de tensión sintetizada por el inversor se limita por el círculo inscrito del hexágono de límite de tensión.
Por tanto, es conveniente superar los problemas anteriores y otros al proporcionar un aparato mejorado para hacer funcionar el motor síncrono de imanes permanentes interior.
El documento de la técnica anterior EP 2211 457 A1 describe un dispositivo de control de motor que realiza un control de campo débil en caso de saturación de tensión de un motor.
El documento de la técnica anterior JP 2000 116198 A describe un controlador para motor de reluctancia de imán permanente.
Resumen de la descripción
La presente descripción se realiza para resolver el(los) problema(s) anterior(es) de la técnica anterior y, por lo tanto, un objeto de ciertas modalidades de la presente invención es proporcionar un aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior robusto en el cambio de parámetros al reducir en dependencia de la tabla de búsqueda durante una activación a alta velocidad de un IPMSM, al aumentar una tasa de utilización de tensión de un inversor, que rastrea un torque de comando a un máximo y que genera un comando de corriente que sigue el torque de comando al máximo. La presente invención está definida por el objeto de la reivindicación independiente, las modalidades preferidas se definen por las reivindicaciones dependientes.
En un aspecto general de la presente descripción, se proporciona un aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior recibiendo un torque de comando para accionar un IPMSM en un sistema que incluye un detector que mide una posición y una velocidad de un rotor del IPMSM, el aparato que comprende: una unidad de salida que genera y emite un comando de corriente que acciona un MTPA (torque máximo por amperio) basado en el torque de comando; una unidad de corrección que corrige el comando de corriente emitido por la unidad de salida; una unidad de retroalimentación que transmite información de tensión sobremodulada a la unidad de corrección; una unidad de control que controla el comando de corriente para dar salida a una tensión; una primera unidad de límite que limita una salida de la unidad de control mediante el uso de una tensión máxima sintetizable por una unidad inversora; y la unidad inversora aplica un comando de tensión trifásico para rastrear un torque de comando al IPMSM mediante el uso de una salida de la primera unidad de límite.
Preferentemente, pero no necesariamente, el aparato comprende además una primera unidad de conversión que convierte una salida de la unidad de control en el marco de referencia síncrono en una tensión en el marco de referencia estacionario mediante el uso de información de posición del rotor recibida desde el detector y que envía la salida convertida a la primera unidad de límite.
Preferentemente, pero no necesariamente, el aparato comprende además sensores de corriente que miden una corriente de fase emitida desde la unidad inversora al IPMSM.
Preferentemente, pero no necesariamente, el aparato comprende además una segunda unidad de conversión que convierte una corriente de fase en el marco de referencia estacionario recibido de los sensores de corriente a una corriente en el marco de referencia síncrono y proporciona la corriente convertida a la unidad de corrección y la unidad de control.
La unidad de salida comprende una segunda unidad de límite que limita un tamaño del comando de torque a un intervalo máximo predeterminado y un intervalo mínimo predeterminado; una primera unidad de cálculo que calcula un torque de comando normalizado al dividir una salida de la segunda unidad de límite por un torque normalizado; una unidad de tabla de búsqueda 1-D que emite un comando de corriente normalizado mediante el uso del torque de comando normalizado; y una segunda unidad de cálculo que da salida a un comando de corriente que acciona un MTPA (torque máximo por amperio) que multiplica el comando de corriente normalizado por la corriente normalizada.
Preferentemente, pero no necesariamente, la unidad de tabla de búsqueda 1-D predetermina y almacena el comando de corriente normalizado con relación al torque de comando normalizado.
Preferentemente, pero no necesariamente, la unidad de tabla de búsqueda 1-D emite comandos de corriente de los ejes d y q normalizados en el marco de referencia síncrono.
Preferentemente, pero no necesariamente, la unidad de retroalimentación retroalimenta la salida de la unidad de control y la tensión sobremodulada sintetizada por la unidad inversora a la unidad de corrección.
Preferentemente, pero no necesariamente, la unidad de retroalimentación integra y filtra a bajo nivel el tamaño de la tensión sobremodulada, y transmite la tensión filtrada integrada y de paso bajo a la unidad de corrección.
Preferentemente, pero no necesariamente, la primera unidad de límite limita una salida de la unidad de control mediante el uso de un hexágono de límite de tensión.
La unidad de corrección comprende una unidad de procesamiento que corrige un comando de corriente que acciona el MTPA (torque máximo por amperio) mediante el uso de un vector unitario que mantiene un torque constante, y una tercera unidad de límite que limita el tamaño de la corriente del comando de corriente corregido por la unidad de procesamiento.
Preferentemente, pero no necesariamente, la tercera unidad de límite limita el comando de corriente corregido a un intervalo de corriente que puede generar el inversor.
La tercera unidad de límite proporciona una prioridad a una corriente del eje d en el marco de referencia síncrono con relación al comando de corriente corregido, emite la corriente del eje d en la prioridad dentro de un tamaño de una corriente nominal y selecciona como intervalo permisible de un comando de corriente del eje q un balance donde el tamaño de la corriente del eje d se resta de la corriente nominal.
El aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior de acuerdo con la presente descripción tiene un efecto ventajoso en que una diferencia entre dos tensiones se minimiza mediante el uso de una diferencia entre una tensión de salida de una unidad de control de corriente y una tensión realmente sintetizada por una unidad inversora y prescindir de una tabla de búsqueda preparada previamente, todos los hexágonos de límite de tensión se usan para aumentar la tasa de utilización de tensión del enlace de DC de la unidad inversora con relación al tamaño de la tensión sintetizada por la unidad inversora, y un comando de corriente se corrige a una dirección que mantiene un torque a un nivel predeterminado, de manera que puede seguirse un torque máximo incluso cuando un IPMSM se acciona a alta velocidad.
Los aspectos particulares y preferidos de la presente descripción se establecen en las reivindicaciones independientes y dependientes adjuntas. Las características de las reivindicaciones dependientes pueden combinarse con características de las reivindicaciones independientes y con características de otras reivindicaciones dependientes según sea apropiado y no simplemente como se establece explícitamente en las reivindicaciones. Aunque ha habido una mejora, un cambio y una evolución constantes de los dispositivos en este campo, se cree que los conceptos actuales representan mejoras sustanciales nuevas y novedosas, incluidas las desviaciones de las prácticas anteriores, lo que da como resultado la provisión de dispositivos más eficientes, estables y confiables de esta naturaleza.
Las características, aspectos y ventajas anteriores y otras de la presente descripción resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, tomada junto con los dibujos adjuntos, que ilustran, a manera de ejemplo, los principios de la invención. Esta descripción se da solo a manera de ejemplo, sin limitar el alcance de la invención. Las figuras de referencia citadas más abajo se refieren a los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
Para explicar el principio de la presente descripción, algunos dibujos acompañantes relacionados con sus modalidades preferidas se muestran más abajo con el propósito de ilustración, ejemplificación y descripción, aunque no pretenden ser exhaustivos. Las figuras de dibujo representan una o más modalidades ilustrativas de acuerdo con los conceptos actuales, solo a manera de ejemplo, no a manera de limitaciones. En las figuras, los números de referencia similares se refieren a elementos iguales o similares.
Por lo tanto, se comprenderá más fácilmente una amplia variedad de modalidades prácticas y útiles potenciales a través de la siguiente descripción detallada de ciertas modalidades ilustrativas, con referencia a los dibujos ilustrativos adjuntos en los que:
La figura 1 es un diagrama de bloques esquemático que ilustra un sistema operativo de un IPMSM de acuerdo con la técnica anterior;
La figura 2 es una vista ilustrativa que ilustra una región de activación de un IPMSM convencional en una región de corriente de un marco de referencia síncrono;
La figura 3 es un diagrama de bloques esquemático que ilustra un aparato para operar un IPMSM de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción;
La figura 4 es un diagrama de bloques detallado que ilustra una unidad de salida de tabla de búsqueda 1-D de la figura 3 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción;
La figura 5 es una vista estructural detallada que ilustra una unidad de conversión de comando de corriente de la figura 3 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción;
La figura 6 es una vista estructural detallada que ilustra una unidad de procesamiento de comando de corriente de la figura 5 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción; y
La figura 7 es una vista estructural detallada que ilustra un limitador de comando de corriente de la figura 5 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Descripción detallada
Las modalidades descritas y sus ventajas se entienden mejor con referencia a las Figuras 1-7 de los dibujos, se usan números similares para partes similares y correspondientes de los diversos dibujos. Otras características y ventajas de las modalidades descritas serán o se harán evidentes para un experto en la técnica al examinar las siguientes figuras y la descripción detallada. Además, las figuras ilustradas son solo ilustrativas y no pretenden afirmar o implicar ninguna limitación con respecto al entorno, la arquitectura o el proceso en el que pueden implementarse diferentes modalidades.
Mientras tanto, la terminología que se usa en la presente descripción tiene el propósito de describir implementaciones particulares solamente y no pretende ser limitante de la presente descripción. Los términos "primero", "segundo" y similares, en la presente descripción no denotan ningún orden, cantidad o importancia, sino que se usan para distinguir un elemento de otro. Por ejemplo, un segundo elemento constituyente puede denotarse como un primer elemento constituyente sin apartarse del alcance y espíritu de la presente descripción, y de manera similar, un primer elemento constituyente puede denotarse como un segundo elemento constituyente.
Como se usa en la presente descripción, los términos "un" y "uno" en la presente descripción no denotan una limitación de cantidad, sino que más bien denotan la presencia de al menos uno de los elementos referenciados. Es decir, como se usa en la presente descripción, las formas singulares "un", "uno" y "el" pretenden incluir también las formas plurales, a menos que el contexto lo indique claramente de cualquier otra manera.
Se entenderá que cuando se hace referencia a un elemento como "conectado" o "acoplado" a otro elemento, puede conectarse o acoplarse directamente al otro elemento o pueden estar presentes elementos intermedios. Por el contrario, cuando se hace referencia a un elemento como que se "conecta directamente" o "acopla directamente" a otro elemento, no hay elementos intermedios presentes.
Se entenderá además que los términos "comprende" y/o "que comprende" o "incluye" y/o "que incluye" cuando se usan en esta descripción, especifican la presencia de características, regiones, enteros, etapas, operaciones, elementos establecidos, y/o componentes, pero no excluyen la presencia o adición de una o más características, regiones, enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o grupos de los mismos.
Además, "ilustrativo" simplemente significa un ejemplo, en lugar del mejor. También debe apreciarse que las características, capas y/o elementos que se representan en la presente descripción se ilustran con dimensiones y/u orientaciones particulares con relación entre sí con fines de simplicidad y facilidad de comprensión, y que las dimensiones y/u orientaciones reales pueden diferir sustancialmente de las ilustradas.
Es decir, en los dibujos, el tamaño y los tamaños relativos de capas, regiones y/u otros elementos pueden exagerarse o reducirse para mayor claridad. Los mismos números se refieren a los mismos elementos en todas partes y se omitirán las explicaciones duplicadas. Como puede usarse en la presente descripción, los términos "sustancialmente" y "aproximadamente" proporcionan una tolerancia aceptada por la industria para su término correspondiente y/o la relatividad entre artículos.
De ahora en adelante, un aparato para operar un IPMSM de acuerdo con la presente descripción se describirá en detalle con referencia a los dibujos acompañantes.
La figura 3 es un diagrama de bloques esquemático que ilustra un aparato para operar un IPMSM de acuerdo con una realización ilustrativa de la presente descripción, en donde se explica la activación del IPMSM controlado por un inversor que realiza un control vectorial.
Con referencia a la figura 3, un aparato para operar un IPMSM incluye un inversor (10) que incluye una unidad de salida de tabla de búsqueda 1-D (11), una unidad de corrección de comando de corriente (12), una unidad de retroalimentación de tensión (13), un controlador de corriente (14), un primer convertidor de coordenadas (15), un limitador de tensión (16), una unidad inversora (17), sensores de corriente (18) y un segundo convertidor de coordenadas (19) y un detector de posición del rotor (30).
El inversor (10) recibe un comando de corriente y emite tensiones (Vas, Vbs, Vcs) con los que un IPSMS (20) puede accionarse por un torque de comando.
El rotor del IPMSM (20) se proporciona con el detector de posición del rotor (30) para calcular o medir la posición del rotor y la velocidad del rotor. La posición del rotor medida por el detector de posición del rotor (30) se usa para la conversión de coordenadas del primer convertidor de coordenadas (15) y el segundo convertidor de coordenadas (19) , donde la velocidad del rotor se ingresa en la unidad de corrección de comando de corriente (12).
La primera unidad de salida de la tabla de búsqueda (11) genera y emite los comandos de corriente de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono que acciona el MTPA (torque máximo por amperio) desde un torque de comando. La primera unidad de salida de la tabla de búsqueda (11) genera un comando de corriente en el marco de referencia síncrono que da salida al MTPA con relación al torque de comando solamente, cuyos detalles se describirán más adelante. La unidad de corrección de comando de corriente (12) corrige un comando de corriente para permitir que el IPMSM (20) del comando de corriente habilite el MTPA emitido desde la unidad de salida de la tabla de búsqueda 1-D (11) para operar establemente a alta velocidad.
La unidad de retroalimentación de tensión (13) sirve para calcular una tensión de retroalimentación usada por la unidad de corrección de comando de corriente (12). La unidad de retroalimentación de tensión (13) funciona para transmitir información de tensión sobremodulada para obtener una diferencia de tensión de salida entre el primer convertidor de coordenadas (15) y el limitador de tensión (16).
El controlador de corriente (14) sirve para controlar un comando de corriente, que es una salida de la unidad de corrección de comando de corriente (12), y para dar salida a las tensiones de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono. El controlador de corriente (14) es un controlador integral proporcional (PI) pero no se limita a él. El primer conversor de coordenadas (15) usa la información de posición del rotor obtenida por el detector de posición del rotor (30) para convertir la tensión de salida del controlador de corriente (14) a una tensión en un marco de referencia estacionario. El limitador de tensión (16) usa un hexágono de límite de tensión para limitar la tensión de salida del primer convertidor de coordenadas (15) a una tensión sintetizable por la unidad inversora (17).
El hexágono de límite de tensión utilizado por el limitador de tensión (16) es una tensión máxima sintetizable por la unidad inversora (17), de manera que una tasa de utilización de tensión de la unidad inversora (17) puede maximizarse mediante el hexágono de límite de tensión.
En el caso de que la tensión de salida del primer convertidor de coordenadas (15) se sitúe fuera del hexágono límite de tensión del limitador de tensión (16), la tensión sintetizada por la unidad inversora (17) existe en un hexágono del limitador de tensión (16), con la tensión del convertidor de coordenadas de tensión (15) sin salida.
La unidad inversora (17) es un inversor de tipo de tensión que incluye semiconductores de energía como un IGBT (transistor de modo bipolar de puerta aislada) o un MOSFET de energía (transistor de efecto de campo de silicio de óxido metálico), y aplica los comandos de tensión (Vas, Vbs, Vcs) para rastrear el comando de corriente al IPMSM (20) .
Los sensores de corriente (18a-18c) miden una corriente de fase entre el IPMSM (20) y la unidad inversora (17). La corriente medida por los sensores de corriente (18a a 18c) se devuelve al controlador de corriente (14) y a la unidad de corrección del comando de corriente (12) como retroalimentación en respuesta a la conversión de coordenadas del segundo convertidor de coordenadas (19). El segundo conversor de coordenadas (19) sirve para convertir la corriente de fase en el marco de referencia estacionario medido por los sensores de corriente (18a-18c) a esa en el marco de referencia síncrono.
La diferencia entre el sistema de accionamiento convencional de la figura 1 y el aparato operativo de la figura 3 puede resumirse en dos palabras. Es decir, una corrección del comando de corriente que es una entrada de los controladores de corriente (105 y 14), y una síntesis de tensión de salida final aplicada a las unidades inversoras (108 y 17).
En el sistema convencional de la figura 1, se obtiene una corriente de comando del controlador de corriente (105) a partir de un comando de torque de un generador de comando de corriente (104), la tensión del enlace de DC de la unidad inversora (108) y al menos dos o más tablas de búsqueda 2-D basadas en la velocidad del rotor, mientras que el controlador (14) calcula la corriente de comando mediante el uso de las dos tablas de búsqueda 1-D de la unidad de salida de la tabla de búsqueda 1-D (11) y una salida de la unidad de corrección de comando de corriente (12) en el aparato operativo de la presente invención.
Además, en el caso de la tensión de salida final aplicada a las unidades inversoras (108 y 17) en el sistema convencional, la tensión de salida final se controla mediante un círculo inscrito del hexágono de límite de tensión, mientras que el hexágono de límite de tensión se usa para limitar la tensión de salida final en la presente invención. Por tanto, el tamaño de la tensión sintetizada por el aparato operativo de la presente invención se vuelve relativamente mayor que el del sistema convencional de la figura 1 para aumentar la tasa de utilización de tensión del inversor y para aumentar también el torque de salida.
Ahora, se describirá el funcionamiento del aparato operativo de la presente invención así configurado.
La primera unidad de salida de la tabla de búsqueda (11) sintetiza los comandos de corriente de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono que emite el MTPA desde el comando de torque. El comando de corriente que genera el MTPA puede obtenerse midiendo previamente la característica de IPMSM (20), y también puede obtenerse mediante la siguiente ecuación: La ecuación con relación al torque del IPMSM (20) es la siguiente:
[Ecuación 16]
Te = 22 [CLcts - Lqs)ids V |iq s
Para obtener los comandos de corriente de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono que da salida al MTPA de la Ecuación 16 anterior, el torque y la corriente pueden normalizarse de las siguientes maneras.
[Ecuación 17]
Figure imgf000010_0001
[Ecuación 18]
Figure imgf000010_0002
[Ecuación 19]
Figure imgf000010_0003
[Ecuación 20]
Figure imgf000010_0004
[Ecuación 21]
Figure imgf000010_0005
[Ecuación 22]
Figure imgf000010_0006
[Ecuación 23]
Figure imgf000010_0007
Los comandos de corriente de los ejes d y q normalizados pueden obtenerse a partir de las Ecuaciones 22 y 23 anteriores, y mediante el uso de las mismas, pueden obtenerse los comandos de corriente de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono que genera el MTPA.
[Ecuación 24]
Figure imgf000011_0001
[Ecuación 25]
Figure imgf000011_0002
La figura 4 es un diagrama de bloques detallado que ilustra una unidad de salida de tabla de búsqueda 1-D de la figura 3 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Con referencia a la figura 4, la unidad de salida de tabla de búsqueda 1-D (11) de acuerdo con la presente descripción incluye una primera unidad de límite (41), una primera unidad de cálculo (42), unidades de tabla de búsqueda 1-D (43a y 43b) y segundas unidades de cálculo (44a y 44b).
La primera unidad de límite (41) limita un tamaño de torque de comando introducido dentro de un valor máximo predeterminado y un valor mínimo predeterminado.
La primera unidad de cálculo (42) sirve para dividir una salida de la primera unidad de límite (41) al torque normalizado como se muestra en la Ecuación 17. Las unidades de la tabla de búsqueda 1-D (43a y 43b) usan las ecuaciones 24 y 25 para almacenar una tabla de búsqueda 1-D precalculada.
Es decir, en vista del hecho de que las ecuaciones 24 y 25 son ecuaciones cuárticas, si Ten se da, cuatro idn y iqn se determinan respectivamente y solo se usa uno. Es decir, las unidades de la tabla de búsqueda 1-D (43a y 43b) prealmacenan una solución de las Ecuaciones 24 y 25. Las segundas unidades de cálculo (44a y 44b) usan las ecuaciones 18 y 19 para multiplicar las salidas (idn e iqn) de las unidades de la tabla de búsqueda 1-D (43a y 43b) por la corriente normalizada obtenida de la Ecuación 21 y para obtener los comandos de corriente de los ejes d y q ( irds y i rqs) mediante el accionamiento del MTPA en el marco de referencia síncrono.
La unidad de retroalimentación de tensión de la figura 3 retroalimenta la salida de la unidad de control de corriente (14) y la tensión sobremodulada realmente sintetizada por la unidad inversora (17) y las salidas a la unidad de corrección de comando de corriente (12), donde puede obtenerse una tensión de retroalimentación mediante los siguientes procesos.
Primero, el tamaño de la tensión sobremodulada se obtiene de la Ecuación 26. En este momento, el tamaño de la tensión sintetizada por la unidad inversora (17) se limita al hexágono de límite de tensión.
[Ecuación 26]
Figure imgf000011_0003
En este momento, la Ecuación 26 tiene la siguiente relación.
[Ecuación 27]
Figure imgf000011_0004
[Ecuación 28]
Figure imgf000011_0005
[Ecuación 29]
Figure imgf000011_0006
VqSsen 0
[Ecuación 30]
Figure imgf000012_0001
La tensión usada por la unidad de corrección de comando de corriente (12) de la figura 3 puede obtenerse de la siguiente manera al integrar la Ecuación 26 y mediante el uso de un filtro de paso bajo.
[Ecuación 31]
Figure imgf000012_0002
La figura 5 es una vista estructural detallada que ilustra una unidad de corrección de comando de corriente de la figura 3 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Con referencia a la figura 5, la unidad de corrección de comando de corriente (12) incluye una unidad de procesamiento de comando de corriente (51) y una unidad de límite de comando de corriente (52).
La unidad de corrección de comando de corriente (12) sirve para corregir un comando de corriente a partir de un comando de corriente generado desde el MTPA, y la unidad de límite de comando de corriente (52) limita el tamaño de la corriente corregida a partir del comando de corriente corregido.
La corrección de comando de corriente propuesta por la presente descripción es para rastrear al máximo el torque de comando. Un vector de corriente que mantiene un torque constante a partir de la ecuación de torque constante de la Ecuación 16 puede obtenerse mediante la siguiente ecuación.
[Ecuación 32]
Figure imgf000012_0003
Un vector unitario que mantiene el torque constante de la Ecuación 32 anterior es el siguiente:
[Ecuación 33]
Figure imgf000012_0004
El vector unitario que mantiene el torque constante en la Ecuación 33 anterior y el tamaño de tensión obtenido por la Ecuación 26 se usan por la unidad de corrección del comando de corriente de la figura 3, y puede obtenerse un nuevo comando de corriente a partir del comando de corriente que genera el MTPA de la siguiente manera.
[Ecuación 34]
Figure imgf000012_0005
[Ecuación 35]
Figure imgf000012_0006
donde, a1 y a2 representan ganancias variables, y pueden configurarse para que sean proporcionales a la velocidad y el torque como en:
[Ecuación 36]
Figure imgf000013_0001
[Ecuación 37]
^ rp m "l'ei'ef
^2 ^mod277 1p
^rpm .m ax *e,max
donde, am0d1 y amod2 son ganancias proporcionales arbitrarias, wrpm es una velocidad de corriente del rotor, wrpm,máx. es la velocidad máxima del rotor, Te_ref es un comando de torque y Temax es un comando de torque máximo permisible, que puede explicarse con más detalle con referencia al dibujo.
La figura 6 es una vista estructural detallada que ilustra una unidad procesadora de comando de corriente de la figura 5 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Con referencia a la figura 6, una unidad de procesamiento de comando de corriente (51) incluye una tercera unidad de cálculo (61), cuartas unidades de cálculo (62a y 62b), quintas unidades de cálculo (63a y 63b) y sextas unidades de cálculo (64a y 64b).
La tercera unidad de cálculo (61) realiza un cálculo de la Ecuación 3, y la cuarta unidad de cálculo (62a y 62b) multiplica el vector unitario que mantiene el torque constante obtenido por la Ecuación 33 por una salida de la tercera unidad de cálculo (61).
Las quintas unidades de cálculo (63a y 63b) multiplican las ganancias variables de las ecuaciones 34 y 35 por las salidas de la cuarta unidad de cálculo (62a y 62b), y las sextas unidades de cálculo (64a y 64b) corrigen el comando de corriente que genera el MTPA, que se emite de las segundas unidades de cálculo (44a y 44b) de la figura 4 como en las ecuaciones 34 y 35.
Ahora, se proporcionará una explicación sobre la unidad de límite de comando de corriente (52) de la figura 5.
El comando de corriente corregido por la unidad de procesamiento de comando de corriente (51) debe existir dentro de un intervalo de corriente que puede emitir la unidad inversora (17) como se muestra en la figura 4.
En este momento, el comando de límite de corriente proporciona una prioridad a una comiente del eje d y emite la corriente del eje d en el marco de referencia síncrono corregida por la corriente del eje d, en prioridad dentro de un tamaño de una corriente nominal, en donde el comando de corriente de eje q se selecciona en un intervalo permisible donde el tamaño de la corriente del eje d se resta de la corriente nominal.
La figura 7 es una vista estructural detallada que ilustra un limitador de comando de corriente de la figura 5 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Con referencia a la figura 7, la unidad de límite de comando de corriente (52) de acuerdo con la presente descripción incluye una segunda unidad de límite (71), una séptima unidad de cálculo (72), una octava unidad de cálculo (73) y una tercera unidad de límite (74).
La segunda unidad de límite (71) limita de manera tal que la corriente del eje d emitida por la cuarta unidad de cálculo (64a) de la figura 6 existe dentro de un intervalo de corriente admisible. La séptima unidad de cálculo (72) calcula un intervalo de corriente del eje q máximo permisible positivo a partir de la corriente del eje d emitida por la segunda unidad de límite (71) y el intervalo de corriente permisible.
La octava unidad de cálculo (73) calcula un intervalo de corriente del eje q máximo permisible negativo, y la tercera unidad de límite (74) limita el tamaño de la corriente del eje q calculado por las unidades de cálculo séptima y octava (72 y 73).
Como es evidente a partir de lo anterior, el aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior de acuerdo con la presente descripción tiene una aplicabilidad industrial en el sentido de que se minimiza una diferencia entre dos tensiones mediante el uso de una diferencia entre una tensión de salida de un controlador de corriente (14) y una tensión realmente sintetizada por una unidad inversora (17), y al prescindir de una tabla de búsqueda preparada previamente, todos los hexágonos de límite de tensión se usan para aumentar la velocidad de utilización de tensión del enlace de DC de la unidad inversora (17) con relación al tamaño de la tensión sintetizada por la unidad inversora, y un comando de corriente se corrige a una dirección que mantiene un torque a un nivel predeterminado, de manera que puede rastrearse un torque máximo incluso cuando un IPMSM se acciona a alta velocidad.
Más particularmente, son posibles diversas variaciones y modificaciones en las partes componentes y/o disposiciones del arreglo de combinación de temas dentro del alcance de la descripción, los dibujos y las reivindicaciones adjuntas. Adicional a las variaciones y modificaciones en las partes componentes y/o arreglos, los usos alternativos serán también evidentes para los expertos en la técnica.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior IPMSM (20) que recibe un torque de comando para accionar el IPMSM (20) en un sistema que incluye un detector (30) que mide una posición y una velocidad de un rotor del IPMSM; el aparato que comprende: una unidad de salida (11) que genera y emite un comando de corriente que acciona un torque máximo por amperio (MTPA) basado en el torque de comando; una unidad de corrección (12) que corrige el comando de corriente emitido por la unidad de salida; una unidad de retroalimentación (13) que transmite información de tensión sobremodulada a la unidad de corrección; una unidad de control (14) que controla el comando de corriente para dar salida a una tensión; una primera unidad de límite (16) que limita una salida de la unidad de control (14) mediante el uso de una tensión máxima sintetizable por una unidad inversora (17); y la unidad inversora (17) aplica un comando de tensión trifásico para rastrear un torque de comando al IPMSM (20) mediante el uso de una salida de la primera unidad de límite (16); el aparato caracterizado porque:
la unidad de salida (11) comprende una segunda unidad de límite (41) que limita un tamaño del comando de torque a un intervalo máximo predeterminado y un intervalo mínimo predeterminado; una primera unidad de cálculo (42) que calcula un torque de comando normalizado al dividir una salida de la segunda unidad de límite por un torque normalizado; unidades de tabla de búsqueda 1-D (43a y 43b) que emiten un comando de corriente normalizado mediante el uso del torque de comando normalizado; y unas segundas unidades de cálculo (44a y 44b) que emiten un comando de corriente que acciona un MTPA al multiplicar el comando de corriente normalizado por la corriente normalizada;
en donde la unidad de corrección (12) comprende una unidad de procesamiento (51) que corrige un comando de corriente que acciona el MTPA mediante el uso de un vector unitario que mantiene un torque constante, y una tercera unidad de límite (52) que limita el tamaño de la corriente del comando de corriente corregido por la unidad de procesamiento (51);
en donde la tercera unidad de límite (52) proporciona una prioridad a una corriente del eje d en el marco de referencia síncrono con relación al comando de corriente corregido, emite la corriente del eje d en la prioridad dentro de un tamaño de una corriente nominal, y selecciona como intervalo permisible de un comando de corriente del eje q un equilibrio donde el tamaño de la corriente del eje d se resta de la corriente nominal.
2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado además por una primera unidad de conversión (15) que convierte una salida de la unidad de control (14) en un marco de referencia síncrono en una tensión en un marco de referencia estacionario mediante el uso de información de posición del rotor recibida desde el detector (30) y que envía la salida convertida a la primera unidad de límite (16).
3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado además por sensores de corriente (18a a 18c) que miden una corriente de fase emitida desde la unidad inversora (17) al IPMSM (20).
4. El aparato de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado además por una segunda unidad de conversión (19) que convierte una corriente de fase en el marco de referencia estacionario recibido de los sensores de corriente (18a a 18c) en una corriente en el marco de referencia síncrono y proporciona la corriente convertida a la unidad de corrección (12) y la unidad de control (14).
5. El aparato de acuerdo con la reivindicación de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las unidades de tabla de búsqueda 1-D (43a y 43b) predeterminan y almacenan el comando de corriente normalizado con relación al torque de comando normalizado.
6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque las unidades de la tabla de búsqueda 1-D (43a y 43b) generan comandos de corriente de los ejes d y q normalizados en el marco de referencia síncrono.
7. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 67, caracterizado porque la unidad de retroalimentación (13) retroalimenta la salida de la unidad de control (14) y la tensión sobremodulada sintetizada por la unidad inversora (17) a la unidad de corrección (12).
8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la unidad de retroalimentación (13) integra y filtra a bajo nivel el tamaño de la tensión sobremodulada, y transmite la tensión filtrada integrada y de paso bajo a la unidad de corrección (12).
9. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la primera unidad de límite (16) limita una salida de la unidad de control (14) mediante el uso de un hexágono de límite de tensión.
10. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la tercera unidad de límite (52) limita el comando de corriente corregida a un intervalo de corriente que puede emitir la unidad inversora (17).
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