CN101399516A

CN101399516A - 内置永磁电机中磁场削弱的线性

Info

Publication number: CN101399516A
Application number: CNA2008101611149A
Authority: CN
Inventors: G·加列戈斯-罗佩斯; Y·C·森; M·佩里西克; S·希蒂
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: US7923953B2; US7759886B2; US20100231149A1; CN101399516B; US20090027000A1; DE102008034543A1

Abstract

本发明涉及内置永磁电机中磁场削弱的线性。所公开的系统和方法为IPM电机在磁场削弱区域中提供转矩线性。该系统和方法分别利用磁通量削弱和转矩线性控制回路来调整IPM电机的定子电流命令的q轴和d轴分量。由此，在IPM电机操作的磁场削弱区域期间保持转矩线性。

Description

内置永磁电机中磁场削弱的线性

技术领域

本发明的实施例一般涉及电机控制，特别是涉及影响电机的磁场削弱(fieldweakening)区域中转矩线性的技术。

背景技术

电机将电功率转换为机械力和运动。电机用于许多应用中，包括诸如风扇、冰箱以及洗衣机的家用电器。电力传动装置也越来越多地应用于电动车辆和混合电动车辆中。

旋转电机一般具有内部旋转磁体，称为转子，其在固定的定子内部旋转。转子电磁场与定子绕组产生的场之间的相互作用产生了电机转矩。转子可以是永磁体也可以由线圈构成。然而，如果转子具有嵌入其中的永磁体(即，该永磁体不在转子表面)，电机可以被称为内置永磁(IPM)电机。在其两端提供输入电压的电机部分称作“电枢”。根据电机的设计，要么转子作为电枢，要么定子作为电枢。在IPM电机中，电枢是定子，并且是一组绕组线圈，其由输入电压供电来驱动电机。

将机械能转换为电能的反向任务由发生器或发电机完成。上面提到的电机也可以用作发电机，因为部件是相同的。当电机/发电机被机械转矩驱动时，输出电。用在混合动力车辆和电动车辆或者电动机车上的牵引机经常执行这两种任务。

通常随着电机加速，为了将定子电压保持在其极限内电枢(以及因此场)电流减少。磁场中的衰减减少了电机内部的磁通量，其也被称为磁通量或者磁场削弱。磁场削弱控制技术可以用来增强电机转矩速度特性的性能。为了保持对定子电流的控制，可以通过磁场削弱控制回路减小电机磁场。IPM电机中的磁场或磁通量的削弱可以通过调整定子励磁来完成。IPM电机中的定子励磁可以由电压源逆变器的电压脉冲宽度调制(PWM)来控制。

在过去，磁通量削弱技术就已经被使用，其中有目的地削弱IPM磁通量，以减少与高磁通量相关的问题，比如，由高反电动势(Back-EMF)引起的过电压。例如，在电机的恒定转矩区域操作期间，闭环电流调节器控制已经被用于控制所施加的PWM电压激励，使得瞬时相电流跟随其命令的值。然而，当电机终端电压逼近PWM逆变器的最大电压时，可能在较高的速度发生电流调节器的饱和。除此之外，为了保持合适的电流调节直至最大可用的电机速度，应该削弱磁通量。减少电机内部的磁通量在高速时提供了改善的IPM电机的功率特性。然而，转矩可能正比于磁通量而减少。

因此，希望将IPM电机的磁场削弱区域中的转矩线性保持在电压和电流系统限制内。此外，根据随后的详细描述和随附的权利要求书，结合附图和前述的技术领域和背景技术，其他可取特征和特性将变得显而易见。

发明内容

公开了用于在IPM电机的磁场削弱区域中产生转矩线性的系统和方法。该系统和方法分别使用磁通量削弱和转矩线性控制回路来调整IPM电机的定子电流命令的q轴和d轴分量。从而，在IPM电机的磁场削弱区域操作期间保持转矩线性。

根据第一实施例的系统包括以下元件。表格查找模块用来接收转矩命令、转子角速度和直流链路电压(DC-link voltage)作为输入，并且输出q轴和d轴电流命令。具有动态过调制(dynamic over modulation)的同步电流调节器模块也用来基于该电流命令产生q轴和d轴电压命令。为了补偿q轴命令的电流和q轴可用电流之间的差异，使用磁场削弱模块来基于电压命令产生用于q轴电流命令的调整。加法器用来通过将q轴电流调整增加到q轴电流命令来调整q轴电流命令。另外，为了保持转矩线性，转矩线性模块产生作为q轴电流调整函数的d轴电流调整。第二加法器用来通过将d轴电流调整增加到d轴电流命令来调整d轴电流命令。

这里所描述的方法的实施例开始于基于转矩命令、转子角速度和直流链路电压产生q轴和d轴电流命令。然后，该方法基于电流命令产生q轴和d轴电压命令。为了补偿q轴命令的电流和q轴可用电流之间的差异，该方法基于电压命令产生对q轴电流命令的调整。然后，为了调整q轴电流命令，该方法将q轴电流调整增加到q轴电流命令。另外，为了保持转矩线性，该方法产生作为q轴电流调整函数的d轴电流调整。然后，为了调整d轴电流命令，该方法将d轴电流调整增加到d轴电流命令。

根据另一实施例的第二系统包括用于电机的转矩线性控制体系结构，其包括以下元件。比例增益模块产生比例增益，以及将比例增益乘以q轴电流调整以获得d轴调整电流。限制器模块将d轴电流调整保持在最大范围内。

附图说明

下面将结合附图描述本公开的实施例，其中同样的数字代表同样的元件，以及

图1是包括用于矢量控制的IPM电机的现有控制系统的功能框图，其中没有转矩线性块；

图2是用于矢量控制的IPM电机的带转矩线性控制块的控制系统的功能框图；

图3是图2的控制系统的相电流限制模块的功能框图；

图4示出了具有和不具有转矩线性控制块的IPM电机的电流调节性能；以及

图5是示出用于操作具有转矩线性控制块的电机的过程的流程图。

具体实施方式

以下的详细描述本质上仅是示范性的，并不打算限制本发明或者本发明的应用和用途。此外，也不打算受前述的技术领域、背景技术、发明内容或者以下的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论的限制。

这里可以按照功能的和/或逻辑块部件以及各种处理步骤来描述本发明的实施例。应该理解这些块部件可以通过配置为执行特定功能的任意数量的硬件、软件、和/或固件部件来实现。例如，本发明的实施例可以使用各种集成电路部件，比如，存储元件、受控开关、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等等，其可以在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下执行各种功能。另外，本领域技术人员将理解本发明的实施例可以与任何数量的车辆应用结合来实现，并且这里描述的系统仅仅是本发明的一个示例实施例。

为了简短起见，在这里不详细描述涉及车辆电气部分和系统的其他功能方面(以及系统的各个操作部件)的常规技术和部件。此外，包括在这里的各附图中所示的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理耦合。应该注意的是，在本发明的实施例中可以存在许多可选的或附加的功能关系或物理连接。

以下描述可能涉及“连接”或者“耦合”在一起的元件或节点或零件。正如这里所使用的，除非另有明确声明，“连接”是指一个元件/节点/零件直接接合到另一个元件/节点/零件((或者直接与其通信))，并且不一定是通过机械方式。同样地，除非另有明确声明，“耦合”是指一个元件/节点/零件直接或间接地接合到另一个元件/节点/零件(或者直接或间接地与其通信)，并且不一定是通过机械方式。因此，尽管在图2所示的示意图中描述了元件的示例性布置，但是附加的插入(inervening)元件、装置、零件或部件也可以出现在本发明的实施例中(假设不对系统的功能产生不利影响)。

这里在一个实际的非限制应用的情况下(即IPM电机的控制系统)来描述本发明的实施例。在此情况下，示例技术可应用于适合混合动力车辆的系统的操作。然而，本发明的实施例不限于这些车辆应用，并且这里描述的技术也可以在其他电动的控制应用中使用。

图1是描述用于矢量控制的IPM电机的现有控制系统100的功能框图，该IPM电机适用于混合动力车辆。这种系统是众所周知的，因此，系统100的操作在这里不做详细描述。简要的说，控制系统100利用磁通量削弱控制回路来调整IPM电机的定子电流命令

的q轴分量(q轴电流命令)。控制系统100包括：电流命令3-D表查找模块102、具有动态过调制的同步电流调节器模块116、直流到交流转换模块118、PWM逆变器120、交流到直流转换模块122、IPM电机124以及磁场削弱模块114。控制系统100的操作如下所述。

基于转矩命令T^*、转子旋转速度ω_R以及直流链路电压V_DC，利用电流命令3-D表查找模块102产生最优电流命令(和

)。表查找模块102的输入由电压传感器从到逆变器120的V_DC输入提供，以及由位置传感器(图1中未示出)从IPM电机124提供。q轴电流命令

被调整以获得调整的命令

如下所解释的。

来自IPM电机124的I_D和I_Q固定电流(stationary current)(定子电流的d轴和q轴分量)被馈送到具有动态过调制的同步电流调节器模块116，同步电流调节器模块产生同步电压命令(

和

)。命令电压

和

是利用转子角位置θ_R旋转的矢量，转子角位置由IPM电机124提供。具有动态过调制的电流调节器116的输出(即

和

)被馈送到直流到交流转换模块118，以基于和

产生静止坐标系(stationary frame)电压命令(

和

)。

和

静止坐标系电压命令被馈送到逆变器120以产生I_AS、I_BS和I_CS，I_AS、I_BS和I_CS是静止坐标系电流。逆变器120可以是例如PWM逆变器，其将交流三相电压施加到IPM电机124的定子绕组。

然后，IPM电机124在基于静止坐标系电流I_AS、I_BS和I_CS的旋转速度ω_R下运行。

交流到直流转换模块122基于I_AS、I_BS、I_CS和θ_R产生I_D和I_Q(定子反馈电流的d轴和q轴分量)。控制系统100的其他细节在美国专利申请号2005/0212471中能找到，该专利申请的全部内容在此引入以供参考。

反电动势正比于旋转速度ω_R。而且，电机的反电动势随着电机旋转速度ω_R的增加而增加。在某个旋转速度以上，IPM电机的电压可能变得高于总线的电压，导致电流的反向(再生而不是电动)。为了控制定子电流的I_D和I_Q分量，通过磁场削弱控制回路来减少电机磁通量。磁场削弱模块114基于

和

产生调整电流命令

(

是调整q轴电流，其减少电机中的磁通量但是也减少转矩)，来调整电流命令

然后，通过加法器112将加到以产生经过调整的电流命令

通过这种方式调整导致转矩的减小，如将要在图3的情况中解释的那样。前述的转矩减小减少了从IPM电机可得到的最大转矩，并且可能减小电机效率。磁场削弱控制回路模块114的其他细节可以在2006年10月25日申请的美国专利申请序列号11/552,580(代理人案号GP-304998)中找到，该专利申请的全部内容在此引入以供参考。

利用根据本发明实施例的转矩线性回路来保持IPM电机的磁场削弱区域中的转矩线性，如下所述。

图2是示出用于矢量控制的IPM电机的控制系统200的框图，该IPM电机适合用于混合动力车辆中。系统200包括转矩线性控制回路，其适当地配置为根据本发明实施例执行转矩线性控制功能。系统200适于与具有电力牵引机的车辆(例如，电动车辆或混合动力车辆)一起使用。除了图2中示出的之外，实际的控制系统200可以包括许多电气部件、电路和控制单元。控制系统200中的常规子系统、特征和方面在这里不做详细描述。控制系统200具有与控制系统100相似的部件(共同的特征、功能以及元件这里不做赘述)。对于该实施例，如图2所示，控制系统200一般包括：电流命令3-D表查找模块202，转矩线性模块204、相电流限制模块211、具有动态过调制的同步电流调节器模块216、直流到交流转换模块218、PWM逆变器220、交流到直流转换模块222、IPM电机224以及磁场削弱控制回路模块214。系统200与IPM电机224一起操作。特别地，逆变器220驱动IPM电机224。

转矩线性模块204产生调整电流命令

(

是d轴上的调整电流，其减小了电机中的磁通量同时保持了转矩线性)，调整电流命令

基于

如下所述。实际上，

由磁场削弱控制回路模块214提供。加法器210将

加到以产生经过调整的电流命令

该经过调整的电流命令

被馈送到具有动态过调制的同步电流调节器模块216。

对于这个实施例，转矩线性模块204包括比例增益模块206和耦合到比例增益模块206的限制器模块208。比例增益模块206将比例增益K施加到

K可以是常数，其值通常从大约1到大约3，或者其可以是作为转矩命令(T^*)和经过调整的电流命令

的函数而变化的变量。例如，K可以基于下述关系式计算得到：

其中P为电机的极数，L_D和L_Q是d轴和q轴的电机电感，T^*是转矩命令，

是受限的q轴电流命令。

乘以K得到输出电流调整命令

然后被馈送到限制器208以将电流调整命令值

保持在其范围内(大约-30到大约0安培)。

为了保持I_D-I_Q矢量在每磁通量边界的最大转矩(maximum toruqe per fluxboundayr)内，使用相电流限制模块211。相电流限制模块211配置成在任意DC电压V_DC和电机转子速度ω_R下设置最大相电流。图3是描绘相电流限制模块211(见图2)的功能框图。最大可用电流块230提供作为V_DC和ω_R函数的最大相电流I_S(max)。最大相电流I_S(max)在恒定转矩区域内是恒定的。然而，在磁场削弱区域内，I_S(max)相应减少以跟随每磁通量电机曲线的最大转矩(maximumtorque per flux machine curve)。首先被IS(max)限制，得到受限制的q轴电流命令

最大d轴电流命令的计算如下：

I_{D (\max)} = \sqrt{I_{S (\max)}^{2} - I_{Q}^{* * * 2}} .

然后，

被I_D _(max)限制从而得到受限制的d轴电流命令

图4示出了具有和不具有转矩线性控制块的电流调节性能。磁场削弱控制回路模块214通过如上所述用

的值调整I_Q电流，来在有效电压下保持电流调节器稳定。然而，将电流矢量310从T1恒定转矩曲线上的点304移动到T2恒定转矩曲线上的点308，由此正比于磁通量而减少转矩。在IPM电机的磁场削弱区域中希望将电流矢量保持在T1恒定转矩曲线上。为此，转矩线性模块204的控制回路产生其将电流矢量310从T2恒定转矩曲线上的点308移动到T1恒定转矩曲线上的点306，由此保持转矩恒定并保持IPM电机的磁场削弱区域中的转矩线性。这里所描述的技术调整I_D和I_Q两者来减少磁场削弱区域中的磁通量，同时保持了转矩线性。

图5是示出用于电动车辆、混合电动车辆或者燃料电池车辆的转矩线性操作过程400的流程图。过程400可以通过如上所述的控制系统200来完成。结合过程400完成的各种任务可以由软件、硬件、固件或它们的任意组合来实现。应该理解，过程400可以包括任意数量的附加的或可选的任务，图5中所示的任务不需要按照示出的次序执行，并且过程400可以合并到具有这里未详细描述的附加功能的更广泛的程序或过程中。为了说明性的目的，过程400的以下描述可以引用上面结合图1-3提及的元件。

过程400调整IPM电机的定子电流命令的q轴和d轴分量(

和

)，因此，在IPM电机的磁场削弱区域期间转矩保持线性，该转矩否则会正比于磁通量的减少而下降。在实际的实施例中，过程400的多个部分可以由控制系统200的不同元件来执行，例如电流命令3-D表查找模块202、转矩线性模块204、相电流限制模块211、具有动态过调制的同步电流调节器模块216、直流到交流转换模块218、PWM逆变器220、交流到直流转换模块222、IPM电机224以及磁场削弱控制回路模块214。

转矩线性操作过程400开始于基于转矩命令T^*、转子角速度ω_R和直流链路电压V_dc产生第一和第二电流命令(

和

)(任务402)。

过程400也基于

和

电压命令产生调整电流命令

(任务406)，并且将

加到

来获得

经过调整的电流命令(任务408)。然而，转矩被减少，如上面在图3的情况中所述。为了保持转矩线性，过程400产生作为

调整电流命令的函数的

调整电流命令(任务410)。然后，转矩线性回路应用电流调整增益K(任务412)，将

乘以K得到输出电流命令

(任务414)，以及限制输出电流命令来获得在需要范围内(大约-30到大约0安培)的

调整电流命令(任务416)。K值以及限制器的下限和上限的值如上所述。

然后，过程400将

加到

和第二电流命令以得到

经过调整的电流命令(任务418)。

调整

电流命令，使得转矩线性保持恒定，如上图4中所示，同时IPM磁场被削弱。过程400然后限制q轴和d轴电流

和

来产生受限制的q轴和d轴电流命令

和

(任务419)。返回来，和I_D ^***用作模块216的输入来产生电压命令(

和

)。由此，合适地调整了电流以削弱IPM电机中的磁场。

然后，过程400基于I_D和I_Q产生

和

电压命令(任务420)。

过程400还通过将驱动负载电流传递到电机上使IPM电机定子以ω_R旋转(任务422)。为此，基于

和

同步电压命令产生

和

静止坐标系电压命令，以生成I_AS、I_BS和I_CS静止坐标系电流。然后，将负载通过静止坐标系电流传递到IPM电机。

利用这种方法，在IPM电机的磁场削弱区域中保持了转矩线性。

虽然在前面的详细描述中给出了至少一个示范性实施例，但是应该理解存在大量的变型。也应该理解一个或多个示范性实施例仅仅是例子，并不打算以任何方式限制本发明的范围、应用或者配置。此外，前面的详细描述为本领域技术人员提供了实施一个或多个示范性实施例的方便的路线图。应该理解的是，在不脱离如随附的权利要求书及其法律等效物所记载的本发明的范围的前提下，可以对功能和元件布置做出各种改变。

Claims

1、一种用于电机的控制系统，该控制系统包括：

具有动态过调制的同步电流调节器模块，其基于第一和第二电流命令以及第一和第二反馈电流，产生第一和第二电压命令；

磁场削弱模块，其基于第一和第二电压命令产生第一调整电流命令；

第一加法器，其基于第一调整电流命令和第一电流命令产生第一经过调整的电流命令；

转矩线性模块，其基于第一调整电流命令产生第二调整电流命令；以及

第二加法器，其基于第二调整电流命令和第二电流命令产生第二经过调整的电流命令。

2、根据权利要求1的系统，其中转矩线性模块进一步包括：

具有比例增益的比例增益模块，其中第一调整电流命令乘以该比例增益得到输出电流命令；以及

耦合到比例增益模块的限制器模块，该限制器模块配置成通过限制输出电流命令，产生该第二调整电流命令。

3、根据权利要求2的系统，其中该比例增益是常数。

4、根据权利要求2的系统，其中该比例增益是受转矩和定子电流的q轴分量影响的变量。

根据权利要求1的系统，其中具有动态过调制的同步电流调节器模块进一步基于第一和第二经过调整的电流命令以及第一和第二反馈电流，产生第一和第二电压命令。

5、根据权利要求1的系统，进一步包括表查找模块，表查找模块接收转矩命令、转子角速度以及直流链路电压并且产生第一和第二电流命令。

6、根据权利要求1的系统，进一步包括相电流模块，相电流模块接收直流链路电压以及电机转子速度，并且限制该第一和第二经过调整的电流命令，以及产生第一和第二受限制的电流命令。

7、一种操作电机的方法，该方法包括：

基于第一和第二电流命令以及第一和第二反馈电流，产生第一和第二电压命令；

基于第一和第二电压命令，产生第一调整电流命令；

将第一调整电流命令与第一电流命令相加，得到第一经过调整的电流命令；

基于第一调整电流命令，产生第二调整电流命令；以及

将第二调整电流命令与第二电流命令相加，得到第二经过调整的电流命令。

8、根据权利要求7的方法，其中产生第二调整电流命令进一步包括：

将第一调整电流命令乘以电流调整增益，以获得输出电流命令；以及

限制该输出电流命令，以获得该第二调整电流命令。

9、根据权利要求7的方法，进一步包括基于转矩命令、转子角速度和直流链路电压，产生该第一和第二电流命令。

10、根据权利要求7的方法，进一步包括基于第一和第二经过调整的电流命令以及第一和第二反馈电流，产生该第一和第二电压命令。

11、根据权利要求7的方法，进一步包括接收直流链路电压和电机转子速度，限制第一和第二经过调整的电流命令，并且产生第一和第二受限制的电流命令。

12、一种用于电机的转矩线性控制体系结构，控制模块包括：

增益模块，配置成将第一调整电流命令乘以增益以得到输出电流命令；以及

耦合到该增益模块的限制器模块，该限制器模块配置成通过限制输出电流命令来产生第二调整电流命令。

13、根据权利要求12的控制体系结构，进一步包括磁场削弱控制回路，其产生第一调整电流命令。

14、根据权利要求12的控制体系结构，其中该增益是常数。

15、根据权利要求12的控制体系结构，其中该增益是基于关系式

K = \frac{4}{3 * P} \cdot \frac{T^{*}}{(L_{Q} - L_{D}) I_{Q}^{* * * 2}}

计算得到的，其中K为该增益，P为电机的极数，L_D和L_Q分别是d轴和q轴的电机电感，T^*是转矩命令，以及I_Q ^***是受限制的q轴电流命令。

16、根据权利要求12的控制体系结构，进一步包括加法器，该加法器耦合到限制器模块并且配置成接收该第二调整电流命令作为一个输入以及接收d轴电流命令作为另一输入，其中该加法器将该第二调整电流命令加到该d轴电流命令以产生d轴经过调整的电流命令。

17、根据权利要求16的控制体系结构，进一步包括具有动态过调制的同步电流调节器模块，其基于d轴经过调整的电流命令、q轴经过调整的电流命令以及d轴和q轴反馈电流，产生d轴和q轴电压命令。