ES2853224T3 - Aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior - Google Patents

Aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior Download PDF

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Abstract

Un aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior IPMSM (20) por la recepción de un primer comando de corriente de una región de control de debilitamiento del flujo I en un sistema que incluye un detector (30) que mide una posición y una velocidad de un rotor del IPMSM (20); el aparato que comprende: una unidad de retroalimentación (12) que transmite información de voltaje sobremodulado a una unidad de corrección (11); la unidad de corrección (11) usa la velocidad del rotor y la información de voltaje sobremodulado para corregir el primer comando de corriente (**(Ver fórmula)** ) a un segundo comando de corriente (**(Ver fórmula)** ) de una región de control de debilitamiento del flujo II; un controlador de corriente (13) que controla el segundo comando de corriente para emitir un voltaje; una primera unidad de límite (15) que limita una salida del controlador de corriente (13) a un voltaje máximo sintetizable por una unidad inversora (16); y la unidad inversora (16) que aplica un comando de voltaje de 3 fases para seguir un torque de comando al IPMSM (20) al usar una salida de una unidad de límite de voltaje (15); el aparato caracterizado porque: la unidad de corrección (11) comprende una unidad de procesamiento (61) que corrige el primer comando de corriente (**(Ver fórmula)** ) para generar el segundo comando de corriente (**(Ver fórmula)** ) en el caso de la región de control de debilitamiento del flujo II, y una segunda unidad de límite (62) que limita el tamaño de corriente del segundo comando de corriente; y la unidad de procesamiento (61) comprende una unidad de decisión (71) que determina la región de control de debilitamiento del flujo II, una unidad de determinación (72a y 72b) que determina una dirección de corrección del comando de corriente, una unidad de cálculo (73a y 73b) que calcula una ganancia proporcional al usar una velocidad de corriente del rotor y una velocidad máxima del rotor, unas terceras unidades de límite (75a y 75b) que limitan el tamaño de la variación de corriente, unas unidades de definición de sección (76a y 76b) que definen una sección de histéresis para dividir la región de control de debilitamiento del flujo I y la región de control de debilitamiento del flujo II, y una unidad de adición (77a y 77b) que emite el segundo comando de corriente (**(Ver fórmula)** ) al agregar el primer comando de corriente (**(Ver fórmula)** ) a una salida de las unidades de definición de sección (76a y 76b).

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato para operar 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 operar un motor síncrono de imanes permanentes interior a una velocidad superior a una 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 que ya es conocida por una persona experta en la técnica.
Un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) es un motor de alta potencia y alta eficiencia que es ampliamente usado como motor de tracción en los campos de los vehículos eléctricos, incluidos los vehículos híbridos, los vehículos de pila de combustible y similares, así como también en otras industrias.
En particular, un motor síncrono de imanes permanentes interior (IPMSM) es un motor síncrono que tiene un imán permanente insertado en un núcleo de hierro del rotor. El IPMSM tiene una excelente durabilidad y manejabilidad a alta velocidad, por lo tanto, es adecuado para su uso como un motor de vehículo eléctrico. En estos campos de aplicación, el IPMSM se acciona en un modo de control de torque, donde el control vectorial se realiza para controlar independientemente una corriente de flujo y una corriente de torque.
Además, el IPMSM usado para vehículos eléctricos o vehículos híbridos es muy amplio en un intervalo de velocidad de accionamiento de un rotor para incluso incluir una región de control de debilitamiento del flujo II en las regiones de accionamiento. La región de control de debilitamiento del flujo II define un caso en el que un centro de una elipse de límite de voltaje del IPMSM se coloca dentro de un círculo de límite de corriente.
En la región de control de debilitamiento del flujo II, solo la condición de límite de voltaje afecta una condición de límite de accionamiento del IPMSM, y ya que el tamaño del voltaje de enlace de CC de un inversor es limitado, el uso máximo de la condición de límite de voltaje es ventajoso en términos de torque de salida.
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 es accionado por un inversor encarnado por un control vectorial que controla independientemente una corriente de flujo y una corriente de torque 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) adjunto a un rotor del IPMSM.
El inversor (101) recibe un torque de comando a las tensiones de salida (Vas, Vbs, Vcs) capaces de ser impulsado 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 el voltaje del enlace de CC del inversor. En el caso de IPMSM, el generador de comandos de corriente (104) generalmente usa dos o más tablas de consulta 2-D, donde la tabla de búsqueda genera 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 desde el generador de comandos de corriente (104) a las tensiones de salida de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono.
El convertidor de coordenadas (106) usa la información de posición del rotor obtenida por el detector de posición del rotor (103) para convertir un voltaje de salida de un controlador de corriente (105) a un voltaje en un marco de referencia estacionario.
Un limitador de voltaje (107) usa un círculo inscrito de un límite de voltaje hexagonal para convertir un voltaje del convertidor de coordenadas (106) en un voltaje sintetizable por una unidad inversora (108). La condición de límite de voltaje del limitador de voltaje (107) se determina por el voltaje del enlace de CC, y el voltaje colocado en un exterior del círculo inscrito del hexágono de límite de voltaje se impide que se emite y permanece en el círculo inscrito del límite de voltaje hexagonal.
La unidad inversora (108) es un inversor de tipo de voltaje que incluye un semiconductor de potencia 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 voltaje (Vas, Vbs, Vcs) para seguir un torque de comando al IPMSM (102). Se interpone un sensor de corriente (109) 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).
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 limitante de corriente del inversor, y C, D y E son ejemplos de condición de límite de voltaje en respuesta a la velocidad del rotor, donde la condición de límite de voltaje se cambia por la velocidad del rotor, y una mayor velocidad del rotor reduce el tamaño de un elipse de límite de voltaje a una dirección F.
Los tamaños de las corrientes de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono controlable por el inversor (101) con respecto al torque de comando constante se determinan en un intervalo que satisface tanto la condición de límite de corriente como la condición de límite de voltaje. En un caso un margen de voltaje es suficiente, la condición de límite de voltaje no se ve afectada por las condiciones limitantes, de manera que sería ventajoso rastrear un comando de corriente que acciona un mTpA (Máxima Torque por Amperio) en términos de eficiencia de IPMSM. Por ejemplo, en caso de que se dé un comando de torque predeterminado de A, y se dé una condición de límite de voltaje como C, un comando de corriente para rastrear un torque de comando se determina en G, donde G es un punto de accionamiento para satisfacer el MTPA, y una región donde solo la condición límite de corriente influye en el punto de accionamiento se define como una región de torque constante.
En un caso una velocidad del rotor aumenta para hacer que la condición de límite de voltaje se mueva de C a D, un punto de accionamiento se mueve de G a H a lo largo de una dirección de flecha, ya que G es una región de corriente incontrolable por un inversor. Aquí, una región, donde tanto la condición de límite de voltaje como la condición de límite de corriente influyen en el punto de accionamiento, como en la región donde el punto de accionamiento se mueve de G a H, se define como una región de control de debilitamiento del flujo I.
En un caso que la velocidad del rotor aumente aún más para hacer que la condición de límite de voltaje se mueva de D a E, la condición de límite de corriente ya no puede influir en la región de accionamiento y solo la condición de límite de voltaje puede influir en el punto de accionamiento.
Aquí, una región en la que solo la condición de límite de voltaje influye en el punto de accionamiento se define como una región de control de debilitamiento del flujo II. El punto de accionamiento en la región de control de debilitamiento del flujo II se mueve de H a I a lo largo de una dirección de flecha.
Las ecuaciones de voltaje en el marco de referencia síncrono de IPMSM (102) se proporcionan más abajo:
[Ecuación 1]
Figure imgf000003_0001
[Ecuación 2]
Figure imgf000003_0002
donde, un superíndice V es un marco de referencia síncrono, un subíndice 's' es una variable de marco de referencia estacionario, W es una velocidad angular del rotor, y son respectivamente corrientes de estator de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono, y son respectivamente tensiones de estator de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono, y son respectivamente los flujos del rotor de estator de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono, Rs, Lds y Lqs son respectivamente inductancias resistencia de estator de los ejes d y q. Una condición de límite de accionamiento de IPMSM (102) se divide en una condición de límite de voltaje y una condición de límite de corriente, y se expresa como abajo:
[Ecuación 3]
(Vds)2 (Vqrs) 2 < (Vsmáx)2
[Ecuación 4]
C d s )2 ( lq s ) 2 5 ( l s máx)2
donde, Vs, max define un tamaño de voltaje máximo sintetizable por el inversor (101), y ls, max define una corriente máxima o nominal de IPMSM (102). Vs, max es un voltaje máximo sintetizable por el inversor (10) e influenciada por el tamaño del voltaje de enlace CC 'Vdc', y en un caso la condición de límite de voltaje se selecciona por el círculo inscrito del límite de voltaje hexagonal como en el limitador de voltaje (107) de la Figura 1, Vs, max puede tener el siguiente valor.
[Ecuación 5]
Vdc
Vs_ máx
V3
Como se señala en lo anterior, el IPMSM (102) en la región de control de debilitamiento del flujo II se acciona al MTPV (Torque Máximo por Voltaje) capaz de emitir un voltaje disponible a un torque máximo.
El proceso móvil del comando de corriente es de manera que una inductancia del IPMSM (102) se satura por el tamaño de la corriente para tener una relación no lineal. Por lo tanto, el accionamiento del IPMSM es de manera que la característica del IPMSM se mide de antemano (fuera de línea) para preparar al menos dos o más tablas de consulta 2-D, de manera que el generador de comandos (104) de la Figura 1 genera un comando de corriente en el marco de referencia síncrono que responde al torque constante, la velocidad de accionamiento y el voltaje de enlace CC.
La tabla de consulta 2-D usa el comando de torque y la información de flujo como entrada para generar el comando de corriente de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono. En este momento, la información de flujo se obtiene al dividir el voltaje del enlace de CC por la velocidad del rotor.
La Figura 3 es una vista esquemática que ilustra una tabla de consulta 2-D de acuerdo con la técnica anterior.
Refiriéndose a la Figura 3, las tablas de consulta 2-D (301, 302) reciben el torque de comando y una entrada de una unidad de cálculo de flujo (303) para emitir los comandos de corriente de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono.
Una corriente de retroalimentación del generador de comandos de corriente (104) de la Figura 1 y del convertidor de coordenadas (110) se introduce en el limitador de corriente (105). El limitador de corriente (105) es un controlador proporcional e integral para sintetizar un voltaje de salida según las siguientes Ecuaciones.
[Ecuación 6]
Figure imgf000004_0001
[Ecuación 7]
Figure imgf000005_0001
El convertidor de coordenadas (106) convierte un voltaje de salida del limitador de corriente (105) en el marco de referencia síncrono en un voltaje en el marco de referencia estacionario al usar las siguientes ecuaciones.
[Ecuación 8]
V £ = V a c ó s e - V q jS e n e
[Ecuación 9]
Vqs = V£cos0 Vq.!senG
El limitador de voltaje (107) limita un voltaje del convertidor de coordenadas (106) y emite el voltaje, de modo que puede existir un comando de voltaje dentro del círculo inscrito de la condición de límite de voltaje expresada por un hexágono en el marco de referencia estacionario, y la unidad inversora (108) sintetiza un voltaje de las siguientes ecuaciones desde el limitador de voltaje (107) y suministra el voltaje al IPMSM (102).
[Ecuación 10]
Figure imgf000005_0002
[Ecuación 11]
Figure imgf000005_0003
[Ecuación 12]
Figure imgf000005_0004
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 al usar las siguientes ecuaciones y proporciona la corriente al limitador de corriente (105) como retroalimentación.
[Ecuación 13]
Figure imgf000005_0005
[Ecuación 14]
Figure imgf000005_0006
[Ecuación 15]
Figure imgf000006_0001
[Ecuación 16]
Figure imgf000006_0002
Sin embargo, hay un problema en que el rendimiento del sistema de accionamiento de IPMSM de la Figura 1 se deteriora, ya que el generador de comandos de corriente (104) usa una tabla de consulta previamente medida para hacer que los parámetros del sujeto del IPMSM cambien.
Además, hay otro problema en el sentido de que, incluso si no se cambian los parámetros de sujeto del IPMSM, el rendimiento de accionamiento del motor se determina por el rendimiento de la tabla de consulta, ya que la tabla de consulta determina el rendimiento de toda una región de accionamiento.
Todavía hay otro problema en que una tasa de uso de voltaje del inversor disminuye para disminuir de esta manera el torque de salida, ya que la cantidad de voltaje sintetizada por el inversor se limita por el círculo inscrito del límite de voltaje hexagonal.
Por lo tanto, es deseable superar los problemas anteriores y otros al proporcionar un aparato mejorado para operar el motor síncrono de imanes permanentes interior.
El documento de la técnica anterior EP 2211 457 A1 describe un dispositivo de control del motor que realiza un control de campo débil en caso de saturación de voltaje de un motor.
El documento de la técnica anterior US 2008/0042605 A1 describe un método y aparato de control de accionamiento de motor eléctrico. El método incluye derivar una corriente objetivo de un torque objetivo para aplicar la corriente eléctrica correspondiente a la corriente objetivo a un motor eléctrico.
Resumen de la descripción
La presente descripción se ha hecho 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 para proporcionar un aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior robusto en el cambio de parámetros al reducir la dependencia de la tabla de consulta durante un accionamiento a alta velocidad de un IPMSM, aumentar una tasa de uso de voltaje de un inversor, siguiendo un torque de comando al máximo y generar un comando de corriente después del torque de comando al máximo. La presente invención se define por la reivindicación independiente, las modalidades preferidas se definen mediante las reivindicaciones dependientes.
En un aspecto general de la presente descripción, se proporciona un aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior (IPMSM) al recibir un primer comando de corriente de una región de control de debilitamiento del flujo I 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 retroalimentación que transmite información de voltaje sobremodulado a una unidad de corrección; la unidad de corrección que usa la velocidad del rotor y la información de voltaje sobremodulado para corregir el primer comando de corriente a un segundo comando de corriente de una región de control de debilitamiento del flujo II; un controlador de corriente que controla el segundo comando de corriente para emitir un voltaje; una primera unidad de límite que limita una salida del controlador de corriente a un voltaje máximo sintetizable por una unidad inversora; y la unidad inversora aplica un comando de voltaje de 3 frases para seguir un torque de comando al IPMSM al usar una salida de una unidad de límite de voltaje. Preferentemente, pero no necesariamente, el aparato comprende además una primera unidad de conversión que convierte un voltaje del controlador de corriente en el marco de referencia síncrono en un voltaje en el marco de referencia estacionario al usar información de posición del rotor recibida del detector y al emitir el voltaje convertido a la primera unidad de límite.
Preferentemente, pero no necesariamente, el aparato comprende además un sensor de corriente que mide una corriente de fase que se emite 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 del sensor de corriente en una corriente en el marco de referencia síncrono y al proporcionar la corriente convertida a la unidad de corrección y el controlador de corriente.
Preferentemente, pero no necesariamente, la unidad de retroalimentación retroalimenta el voltaje sobremodulado entre la salida del controlador de corriente y el voltaje sintetizado por la unidad inversora a la unidad de corrección. Preferentemente, pero no necesariamente, la unidad de retroalimentación integra y permite el paso de frecuencias más bajas de un tamaño del voltaje sobremodulado, y transmite el tamaño filtrado de paso bajo a la unidad de corrección.
La unidad de corrección comprende una unidad de procesamiento que corrige el primer comando de corriente para generar el segundo comando de corriente en caso de que el flujo debilite la región de control II, y una segunda unidad de límite que limita el tamaño de la corriente desde el segundo comando de corriente.
La unidad de procesamiento comprende una unidad de decisión que determina la región de control de debilitamiento del flujo II, una unidad de determinación que determina una dirección de corrección del comando de corriente, una unidad de cálculo que calcula una ganancia proporcional al usar una velocidad de corriente del rotor y una velocidad máxima del rotor, una tercera unidad de límite que limita un tamaño del cambio de corriente, una unidad de definición de sección que define una sección de histéresis para dividir la región de control de debilitamiento del flujo I y la región de control de debilitamiento del flujo II, y una unidad de adición que emite el segundo comando de corriente al agregar una corriente de referencia a una salida de la unidad de definición de sección.
Preferentemente, pero no necesariamente, la segunda unidad de límite limita el segundo comando de corriente a un intervalo de corriente la unidad inversora puede emitir.
Preferentemente, pero no necesariamente, la segunda unidad de límite proporciona una prioridad a una corriente del eje d en el marco de referencia síncrono con relación al segundo comando de corriente, emite la corriente del eje d dentro del tamaño de una corriente nominal en una base de prioridad, y selecciona un comando de corriente del eje q en un intervalo permisible y un equilibrio donde se deduce un tamaño de la corriente del eje d de la corriente nominal.
Preferentemente, pero no necesariamente, la primera unidad de límite limita una salida de la unidad de control al usar un límite de voltaje hexagonal.
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 al usar una diferencia entre un voltaje de salida de una unidad de control de corriente y un voltaje realmente sintetizado por una unidad inversora y la dosificación de una tabla de consulta preparada previamente, todos los límites de voltaje hexagonales se usan para aumentar una tasa de uso de voltaje de enlace de CC de la unidad inversora con relación al tamaño de el voltaje sintetizado por la unidad inversora, y un comando de corriente se corrige a una dirección que mantiene un torque a un nivel predeterminado, por lo 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 corresponda y no simplemente como se establece explícitamente en las reivindicaciones.
Aunque ha habido una mejora constante, un cambio y una evolución de los dispositivos en este campo, se cree que los conceptos actuales representan mejoras nuevas y novedosas sustanciales, que incluyen las desviaciones de las prácticas anteriores, lo que resulta en el suministro dispositivos más eficientes, estables y confiables de esta naturaleza.
Lo anterior y otras características, funciones y ventajas de la presente descripción se desprenderán 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 bien 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
Con el fin de explicar el principio de la presente descripción, más abajo se presentan algunos dibujos adjuntos relacionados con sus modalidades preferidas 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 modo de limitaciones. En las figuras, los números de referencia similares se refieren a elementos iguales o similares.
Por lo tanto, una amplia variedad de posibles modalidades prácticas y útiles se entenderán más fácilmente 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 esquemáticos que ilustra un IPMSM de acuerdo con la técnica anterior; La Figura 2 es una vista ilustrativa que ilustra una región de accionamiento del IPMSM de la Figura 1;
La Figura 3 es un diagrama de bloques esquemático que ilustra una tabla de consulta 2-D de acuerdo con la técnica anterior;
La Figura 4 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 5 es una vista esquemática que ilustra un concepto de Ecuación 25 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción;
La Figura 6 es una vista de construcción detallada que ilustra una unidad de corrección de comandos de corriente de la Figura 4 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción;
La Figura 7 es una vista de construcción detallada que ilustra una unidad de procesamiento de comandos de corriente de la Figura 6 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción; y
La Figura 8 es una vista de construcción detallada que ilustra un limitador de comandos de corriente de la Figura 6 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Descripción detallada
Las modalidades descritas y sus ventajas se entienden mejor refiriéndose a las Figuras 1-8 de los dibujos, como los números de referencia que se usan para las partes similares y correspondientes de los diversos dibujos. Otras características y ventajas de las modalidades descritas serán o se harán evidentes para uno de habilidades ordinarias en la técnica tras el examen de las siguientes figuras y una 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 usada en la presente descripción tiene el propósito de describir solo determinadas implementaciones y no pretende limitar 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 denotan la presencia de al menos uno de los artículos a los que se hace referencia. 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 indique claramente lo contrario.
Se debe entender que cuando se hace referencia a un elemento como "conectado" o "acoplado" a otro elemento, puede directamente conectarse o acoplarse al otro elemento o elementos que intervienen pueden presentarse. Por el contrario, cuando se hace referencia a un elemento como "directamente conectado" o "directamente acoplado" a otro elemento, no hay elementos intermedios presentes.
Además, se entenderá 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, 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 las mismas.
Además, "ilustrativo" es simplemente para significar un ejemplo, en lugar del mejor. Si también debe apreciarse que las características, capas y/o elementos representados se ilustran en la presente descripción 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 las capas, regiones y/u otros elementos pueden exagerarse o reducirse para mayor claridad. Al igual que los números se refieren a elementos similares en todo y se omitirán las explicaciones que se duplican entre sí. 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 los artículos.
En adelante, se describirá en detalle un aparato para operar un IPMSM de acuerdo con la presente descripción con referencia a los dibujos adjuntos.
La Figura 4 es un diagrama de bloques esquemático que ilustra un aparato para operar un IPMSM de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Refiriéndose a la Figura 4, un aparato para operar un IPMSM comprende un inversor (10) que incluye una unidad de corrección de comando de corriente (11), una unidad de retroalimentación de voltaje (12), un controlador de corriente (13), un convertidor de coordenadas de voltaje (14), un limitador de voltaje (15), una unidad inversora (16), sensores de corriente (17a-17c) y un convertidor de coordenadas de corriente (18) y un detector de posición de rotor (30).
El inversor (10) recibe un comando de corriente de una región de control de debilitamiento del flujo I y emite voltajes Vas, Vbs, Vcs por los que un IPSMS (20) puede accionarse por un comando de corriente.
Un rotor de la IPMSM (20) se proporciona con un 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 convertidor de coordenadas de voltaje (14) y el convertidor de coordenadas de corriente (18), donde la velocidad del rotor se introduce en la unidad de corrección de comando de corriente (11). La unidad de corrección de comando de corriente (11) corrige el comando de corriente para permitir que el IPMSM (20) de la región de control de debilitamiento del flujo I opere de forma estable a alta velocidad, una descripción detallada que se proporcionará más adelante.
La unidad de retroalimentación de voltaje (12) sirve para calcular la información de voltaje de retroalimentación usada por la unidad de corrección de comando de corriente (11). La unidad de realimentación de voltaje (12) funciona para transmitir información de voltaje sobremodulado para obtener una diferencia de voltaje de salida entre el primer convertidor de coordenadas (14) y el limitador de voltaje (15).
El controlador de corriente (13) sirve para limitar un comando de corriente, que es una salida de la unidad de corrección de comando de corriente (11), para dar salida a los voltajes de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono. El controlador de corriente (13) es un controlador integral proporcional (PI) pero no se limita a ello.
El primer conversor de coordenadas (14) usa la información de posición del rotor obtenida por el detector de posición del rotor (30) para convertir el voltaje de salida del controlador de corriente (13) a un voltaje en un marco de referencia estacionario. El limitador de voltaje (15) usa un límite de voltaje hexagonal para limitar el voltaje del convertidor de salida del primer convertidor de coordenadas (14) en un voltaje sintetizable por la unidad inversora (16).
El límite de voltaje hexagonal usado por el limitador de voltaje (15) es un voltaje máximo sintetizable por la unidad inversora (16), por lo que la tasa de uso de voltaje de la unidad inversora (16) puede maximizarse por el límite de voltaje hexagonal.
En un caso el voltaje de salida del primer convertidor de coordenadas (14) se ubica fuera del límite de voltaje hexagonal del limitador de voltaje (15), el voltaje sintetizado por la unidad inversora (16) existe en un limitador de voltaje hexagonal (15), sin que se emita el voltaje del convertidor de coordenadas de voltaje (14).
La unidad inversora (16) es un inversor de tipo de voltaje que incluye semiconductores de potencia como un IGBT (transistor de modo bipolar de puerta aislada) o un MOSFET (transistor de efecto de campo de silicio de óxido metálico), y aplica los comandos de voltaje (Vas, Vbs, Vcs) para seguir el comando de corriente al IPMSM (20). Los sensores de corriente (17a-17c) miden una corriente de fase entre el IPMSM (20) y la unidad inversora (16). La corriente medida por los sensores de corriente (17a-17c) se devuelve al controlador de corriente (13) y la unidad de corrección de comando de corriente (11) como retroalimentación en respuesta a la conversión de coordenadas por el segundo convertidor de coordenadas (18). El segundo convertidor de coordenadas (18) sirve para convertir la corriente de fase en el marco de referencia estacionario medido por los sensores de corriente (17a-17c) a la del marco de referencia síncrono.
Una diferencia entre el sistema de accionamiento convencional de la Figura 1 y el aparato operativo de la Figura 4 puede resumirse en dos palabras. Es decir, una corrección del comando de corriente que es una entrada de los controladores de corriente (105 y 13), y una síntesis de voltaje de salida final aplicada a las unidades inversoras (108 y 16).
En el sistema convencional de Figura 1, una corriente de comando del controlador de corriente (105) se obtiene de un comando de torque del generador de comando de corriente (104), el voltaje de enlace CC de la unidad inversora (108) y al menos dos o más tablas de consulta 2D en base a la velocidad del rotor, mientras que la corriente de comando del controlador de corriente (13) se calcula por la unidad de corrección de comando de corriente (11) en el aparato operativo de la presente invención.
Además, en el caso del voltaje de salida final aplicada a las unidades inversoras (108) en el sistema convencional, el voltaje de salida final se controla por un círculo inscrito del límite de voltaje hexagonal, mientras que el de límite de voltaje hexagonal se usa para limitar el voltaje de salida final en la presente invención. Por lo tanto, el tamaño del voltaje sintetizado 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 uso de voltaje del inversor y para aumentar el torque de salida también.
Ahora, se describirá la corrección del comando de corriente del aparato operativo de la presente invención en base a la Figura 4. En primer lugar, se proporciona una condición para discriminar la región de control de debilitamiento del flujo I y la región de control de debilitamiento del flujo II como se muestra más abajo:
[Ecuación 17]
Figure imgf000010_0001
Un torque y un flujo del IPMSM (20) puede obtenerse por las siguientes Ecuaciones:
[Ecuación 18]
Figure imgf000010_0002
[Ecuación 19]
Figure imgf000010_0003
[Ecuación 20]
Aqs — — r l,qs' iqrs
La Ecuación 21 puede obtenerse de la Ecuación 18.
[Ecuación 21]
Figure imgf000010_0004
Además, la normalización de la Ecuación 21 puede definirse como:
[Ecuación 22]
Figure imgf000010_0005
La siguiente Ecuación puede obtenerse de las Ecuación 19 y 20.
[Ecuación 23]
Figure imgf000011_0001
La normalización de la Ecuación 23 puede definirse de la siguiente manera:
[Ecuación 24]
Figure imgf000011_0002
La ecuación que discrimina la región de control de debilitamiento del flujo I y la región de control de debilitamiento del flujo II puede obtenerse como consecuencia del producto interno de las Ecuaciones 22 y 24:
[Ecuación 25]
(Xnorm< Ynorm) * (^norm> ^norm) I C^norm»^ norm ) 11 (^norni*^ ^norm)IcosO COSO
La Figura 5 es una vista esquemática que explica un concepto de Ecuación 25 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
J es una línea de torque constante de la Ecuación 18, K es un círculo de límite de corriente, L es una elipse de límite de voltaje, y M explica una relación con la Ecuación 25.
Si la Ecuación 25 satisface la condición de la siguiente Ecuación 26, se discrimina una región de accionamiento de IPMSM (20) al cambiar desde la región de control de debilitamiento del flujo I a la región de control de debilitamiento del flujo II.
[Ecuación 26]
|(X_norm, Y.norm ) • (V_norm, W_norm )| = |cosfl| < t
Ahora, se explicará la corrección del comando de corriente de acuerdo con la presente invención.
La unidad de corrección del comando de corriente (11) en la Figura 4 sintetiza el comando de corriente de la región de control de debilitamiento del flujo I de IPMSM (20) para emitir los comandos de corriente de los ejes d y q en el marco de referencia síncrono con el fin de aumentar la tasa de uso de voltaje de la unidad inversora (16) en la región de control de debilitamiento del flujo II de IPMSM (20).
En este momento, si no se satisface la condición de la Ecuación 26, no se realiza la corrección del comando de corriente, y la corrección del comando de corriente se realiza sólo si se satisface la condición de la Ecuación 26. El tamaño del voltaje sobremodulado devuelto por la unidad de retroalimentación de voltaje (12) de la Figura 4 puede obtenerse por la siguiente Ecuación 27. En este momento, el tamaño del voltaje sintetizado por la unidad inversora (16) es tal que el limitador de voltaje (15) se limita por el límite de voltaje hexagonal para aumentar la tasa de uso de voltaje de la unidad inversora (16).
[Ecuación 27]
Figure imgf000011_0003
En este momento, la Ecuación 27 tiene la siguiente relación.
[Ecuación 28]
V £ = V a c a s e - V í sene
[Ecuación 29]
V - = V^sinfl VJoose
[Ecuación 30]
v;¡, = v¿cos0 - v ;ssene
[Ecuación 31]
Figure imgf000012_0001
El voltaje usado por la unidad de corrección de comando de corriente (11) puede obtenerse por la Ecuación 32 donde la Ecuación 27 se integra y se filtra de paso bajo.
[Ecuación 32]
Figure imgf000012_0002
La Figura 6 es una vista de construcción detallada que ilustra una unidad de corrección de comandos de corriente de la Figura 4 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Refiriéndose a la Figura 6, la unidad de corrección de comandos de corriente (11) de la presente descripción incluye una unidad de procesamiento de comandos de corriente (61) y un limitador de comandos de corriente (62). La unidad de procesamiento de comando de corriente (61) funciona para corregir el comando de corriente de la región de control de debilitamiento del flujo I para generar un comando de corriente de la región de control de debilitamiento del flujo II, y el limitador de comando de corriente (62) sirve para limitar el tamaño de la corriente del comando de corriente corregido por la unidad de corrección del comando de corriente (61).
Ahora, una operación de la unidad de procesamiento de comandos de corriente (61) se describirá de la siguiente manera. La corrección del comando de corriente por el aparato operativo de acuerdo con la presente descripción es aumentar la tasa de uso de voltaje en la región de control de debilitamiento del flujo II. Además, una dirección del comando de corriente en la región de control de debilitamiento del flujo II mira hacia un centro de la elipse del límite de voltaje, de manera que la dirección es la misma que la de la Ecuación 24. Aún más, el tamaño de la corrección durante el comando de corriente es suficiente para ser proporcional al tamaño del voltaje sobremodulado de la Ecuación 27, que puede definirse por la siguiente Ecuación.
[Ecuación 33]
Figure imgf000012_0003
[Ecuación 34]
Figure imgf000012_0004
donde a l y a2 representan ganancias variables, que pueden establecerse para que sean proporcionales a la velocidad según lo siguiente:
[Ecuación 35]
Figure imgf000013_0001
[Ecuación 36]
Figure imgf000013_0002
donde, amodi y amod2 representan ganancias proporcionales arbitrarias, Wrpm representa una velocidad de corriente del rotor y Wrpm, máx. representa una velocidad máxima del rotor.
La Figura 7 es una vista de construcción detallada que ilustra una unidad de procesamiento de comandos de corriente de la Figura 6 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Refiriéndose a la Figura 7, la unidad de procesamiento de comandos de corriente (61) de acuerdo con la presente descripción comprende una unidad de decisión (71), unidades de determinación de dirección (72a, 72b), primeras unidades de cálculo (73a, 73b), unidades de cálculo de ganancia (74a, 74b), primeras unidades de límite (75a, 75b), unidades de definición de sección (76a, 76b) y unidades de adición (77a, 77b).
La unidad de decisión (71) decide las regiones de control de debilitamiento del flujo. Para ser más específico, la unidad de decisión (71) decide que no se realiza una corrección de corriente para la región de control de debilitamiento del flujo II si el tamaño de la función de coseno es mayor que un valor predeterminado de acuerdo con la Ecuación 26.
Las unidades de determinación de dirección (72a, 72b) determinan la dirección de corrección del comando de corriente. Las primeras unidades de cálculo (73a, 73b) realizan el cálculo de la Ecuación 23. Las unidades de cálculo de ganancia (74a, 74b) calculan las ganancias proporcionales en las Ecuaciones 35 y 36, y las primeras unidades de límite (75a, 75b) limitan el tamaño del cambio de corriente.
Las unidades de definición de sección (76a, 76b) definen una sección de histéresis para dividir la región de control de debilitamiento del flujo I y la región de control de debilitamiento del flujo II. Las unidades de adición (77a, 77b) emiten un comando final de corriente al agregar una corriente de referencia a una salida de las unidades de definición de sección (76a, 76b).
Ahora, el limitador de comando de corriente de la Figura 6 se describirá en detalle.
El comando de corriente corregida por la unidad de procesamiento de comandos de corriente (61) de la Figura 6 debe existir dentro de un intervalo de corriente que la unidad inversora (16) emita.
En este momento, la limitación del comando de corriente proporciona prioridad a la corriente del eje d, y la corriente del eje d en el marco de referencia síncrono corregido por la Ecuación 33 se emite dentro del tamaño de la corriente nominal en una base de prioridad, donde un comando de corriente del eje q selecciona como un intervalo permisible y un equilibrio donde se deduce un tamaño de la corriente del eje d de la corriente nominal.
La Figura 8 es una vista de construcción detallada que ilustra un limitador de comandos de corriente de la Figura 6 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente descripción.
Refiriéndose a la Figura 8, el limitador de comando de corriente (62) de acuerdo con la presente descripción comprende un segundo limitador (81), una segunda calculadora (82), una tercera calculadora (83) y un tercer limitador (84). El segundo limitador (81) limita de manera que la corriente corregida del eje d emitida por la unidad de adición (77a) existe dentro de un intervalo de corriente permitido. La segunda calculadora (82) obtiene un intervalo de corriente máximo permitido del eje q positivo a partir de la corriente del eje d emitida del segundo limitador (81) y la corriente permitida.
La tercera calculadora (83) calcula un intervalo de corriente máximo permitido del eje q negativo. El tercer limitador (84) limita el tamaño de la corriente del eje q en base a la segunda y tercera calculadoras (82, 83).
La operación en la región de control de debilitamiento del flujo II de IPMSM de acuerdo con la presente descripción se realiza por la corrección del comando de corriente al usar una diferencia entre un voltaje de salida de un controlador de corriente (13) y un voltaje realmente sintetizado por una unidad inversora (16).
Como se desprende 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 la medida en que una diferencia entre dos voltajes se minimiza al usar una diferencia entre un voltaje de salida de una unidad de control de corriente y un voltaje realmente sintetizado por una unidad inversora, y la dosificación de una tabla de consulta preparada previamente, todos los límites de voltaje hexagonales se usan para aumentar una tasa de uso de voltaje de enlace de CC de la unidad inversora con relación al tamaño del voltaje sintetizado por la unidad inversora, y un comando de corriente se corrige a una dirección que mantiene un torque a un nivel predeterminado, por lo que puede emitirse un torque máximo incluso cuando un IPMSM es accionado a alta velocidad.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un aparato para operar un motor síncrono de imanes permanentes interior IPMSM (20) por la recepción de un primer comando de corriente de una región de control de debilitamiento del flujo I en un sistema que incluye un detector (30) que mide una posición y una velocidad de un rotor del IPMSM (20); el aparato que comprende: una unidad de retroalimentación (12) que transmite información de voltaje sobremodulado a una unidad de corrección (11); la unidad de corrección (11) usa la velocidad del rotor y la información de voltaje sobremodulado para corregir el primer comando de corriente (¡dS rafjwL, refjwú a un segundo comando de corriente (i£s mí£i, i¡Js de una región de control de debilitamiento del flujo II; un controlador de corriente (13) que controla el segundo comando de corriente para emitir un voltaje; una primera unidad de límite (15) que limita una salida del controlador de corriente (13) a un voltaje máximo sintetizable por una unidad inversora (16); y la unidad inversora (16) que aplica un comando de voltaje de 3 fases para seguir un torque de comando al IPMSM (20) al usar una salida de una unidad de límite de voltaje (15); el aparato caracterizado porque:
    la unidad de corrección (11) comprende una unidad de procesamiento (61) que corrige el primer comando de corriente ( i * refjw i, refjw i) Para generar el segundo comando de corriente ( iís :£r en el caso de la región de control de debilitamiento del flujo II, y una segunda unidad de límite (62) que limita el tamaño de corriente del segundo comando de corriente; y
    la unidad de procesamiento (61) comprende una unidad de decisión (71) que determina la región de control de debilitamiento del flujo II, una unidad de determinación (72a y 72b) que determina una dirección de corrección del comando de corriente, una unidad de cálculo (73a y 73b) que calcula una ganancia proporcional al usar una velocidad de corriente del rotor y una velocidad máxima del rotor, unas terceras unidades de límite (75a y 75b) que limitan el tamaño de la variación de corriente, unas unidades de definición de sección (76a y 76b) que definen una sección de histéresis para dividir la región de control de debilitamiento del flujo I y la región de control de debilitamiento del flujo II, y una unidad de adición (77a y 77b) que emite el segundo comando de corriente n-.^ i) al agregar el primer comando de corriente (¿5s refjwL, refjwú a una salida de las unidades de definición de sección (76a y 76b).
  2. 2. El aparato de la reivindicación 1, caracterizado además por una primera unidad de conversión (14) que convierte un voltaje del controlador de corriente (13) en el marco de referencia síncrono en un voltaje en el marco de referencia estacionario al usar la información de posición del rotor recibida del detector (30) y emitir el voltaje convertido a la primera unidad de límite (15).
  3. 3. El aparato de la reivindicación 1 o 2, caracterizado además por unos sensores de corriente (17a a 17c) que miden una corriente de fase emitida desde la unidad inversora (16) al IPMSM (20).
  4. 4. El aparato de la reivindicación 3, caracterizado además por una segunda unidad de conversión (18) que convierte una corriente de fase en el marco de referencia estacionario recibido de los sensores de corriente (17a a 17c) a una corriente en el marco de referencia síncrono y proporcionar la corriente convertida a la unidad de corrección (11) y el controlador de corriente (13).
  5. 5. El aparato de cualquier reivindicación de la 1 a 4, caracterizado porque la unidad de retroalimentación (12) retroalimenta el voltaje sobremodulado entre la salida del controlador de corriente (13) y el voltaje sintetizado por la unidad inversora (16) a la unidad de corrección (11).
  6. 6. El aparato de la reivindicación 5, caracterizado porque la unidad de retroalimentación (12) integra y permite el paso de frecuencias más bajas de un tamaño del voltaje sobremodulado, y transmite el tamaño de filtrado de paso bajo a la unidad de corrección (11).
  7. 7. El aparato de cualquiera reivindicación de las reivindicaciones 1 o 6, caracterizado porque las segundas unidades limitantes (76a y 76b) limitan el segundo comando de corriente a un intervalo de corriente que puede emitir la unidad inversora (16).
  8. 8. El aparato de cualquier reivindicación de 1 a 7, caracterizado porque la segunda unidad de límite (62) proporciona una prioridad a una corriente del eje d en el marco de referencia síncrono con relación al segundo comando de corriente, genera la corriente del eje d dentro del tamaño de una corriente nominal en una base de prioridad, y selecciona un comando de corriente del eje q en un intervalo permitido y un equilibrio donde se deduce un tamaño de corriente del eje d de la corriente nominal.
  9. 9. El aparato de cualquiera reivindicación de la 1 a 8, caracterizado porque la primera unidad de límite (15) limita una salida de la unidad de control (13) al usar un límite de voltaje hexagonal.
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