用于控制内置式永磁同步电动机的装置

摘要

本发明公开了一种用于控制内置式永磁同步电动机（IPMSM）的装置，根据本发明公开的示例性实施例的装置包括：第一生成单元，其根据参考频率生成同步参考坐标系的交轴参考电压；电流变换器，其根据所述IPMSM的三相电流生成同步参考坐标系的电流；以及电压控制器，其响应于负载变化而生成对电压进行补偿的直轴参考电压。

说明书

技术领域

本公开涉及一种用于控制内置式永磁同步电动机的装置。

背景技术

本节提供与本公开有关的背景信息，其不必然是现有技术。

具有比感应电动机的效率更高的效率的内置式永磁同步电动机 （IPMSM）已在能量节省方面得到很大关注。但是，IPMSM的缺点在 于其在控制上的复杂性超过了感应电动机。

通常基于矢量控制（磁场定向控制）来控制IPMSM。通常，在对 电动机的高性能有需求的工业领域中广泛地使用用于计算电动机的精 确的转速的矢量控制方法。基于是否具有位置传感器，将矢量控制分 成两种方法，即，有传感器式（sensored）矢量控制和无传感器式 （sensorless）矢量控制。

为了在矢量控制期间获得IPMSM的良好性能，必须本质上习得电 动机常数（定子电阻、直轴（d-axis）电感、交轴（q-axis）电感和永 磁铁的磁通量），并且为了执行平稳启动，需要习得永磁铁中的磁极的 位置。由于有这些要求，对IPMSM的控制在通用性和普遍性方面遭到 降低。

图1是说明根据现有技术的脉宽调制（PWM）逆变器系统的配置 的方框图。

参见图1，根据现有技术的逆变器系统包括：三相电源单元（100）， 其用于将电源提供给PWM逆变器（200）；PWM逆变器单元（200）， 其用于变换从三相电源单元（100）接收的电源；以及IPMSM（300）， 由PWM逆变器单元（200）生成的电压来操作IPMSM。

PWM逆变器单元（200）依次包括：电源变换单元（210），其将 电压提供给IPMSM（300）；电流检测单元（220），其检测IPMSM（300） 中流过的电流；以及控制器（230），其控制提供给IPMSM（300）的 电压和频率。

图2是说明图1中的控制器的具体配置的概念上的方框图。控制 器包括：V/F模式单元（231），其根据参考频率（fref）生成参考电压 （Vref）；以及三相参考电压变换单元（231），其根据由V/F模式单元 （231）生成的参考电压（Vref）来生成三相参考电压（Vasref、Vbsref、 Vcsref）。

图3是由图1的控制器进行电压/频率恒定控制期间的IPMSM （300）的电流波形。

通常，传统上由矢量控制方法来控制IPMSM。但是，为了实现传 统的矢量控制方法，基本上必须习得电动机常数并且需要复杂的等式。

相反地，在将电压/频率恒定控制方法应用到如图2中所说明的感 应电动机的情况下，即使电动机常数未知，也能够使用简单的等式来 简单地实现操作。

在将通常应用到感应电动机的电压/频率恒定控制方法应用到 IPMSM的情况下，通过IPMSM的凸极性（saliency）来激活无负载状 态下IPMSM的启动（图3的A部分）。

但是，在电动机速度（输出频率）恒定的状态下负载增加的情况 下，如图3的B部分所示，由于电压幅度固定以及IPMSM的电流剧 烈振荡以至幅度增加，用于PWM逆变器的功率半导体设备的电压幅 度增加并且IPMSM的电流应力（current stress）增加。

结果，在简单的电压/频率恒定控制方法下，IPMSM的操作遭遇不 利。

发明内容

本节提供了本公开的总的概述，并且不是其全部范围或其所有特 征的全面披露。

与本公开一致的方法和系统提供了一种用于控制内置式永磁同步 电动机（IPMSM）的装置，所述装置配置成通过实现电压控制来容易 地控制IPMSM而不使用复杂的矢量控制，所述电压控制是基于使用 PWM逆变器的IPMSM的电压/频率控制中的负载变化而实现的。

但是，应当强调，本公开不限于如上文所解释的特定披露。应当 理解，本领域技术人员可以理解到本文没有提到的其他技术主题。

在本公开的总的方案中，提供了一种用于控制IPMSM的装置，所 述装置包括：第一生成单元，其配置成根据参考频率生成同步参考坐 标系的交轴参考电压；电流变换器，其配置成根据所述IPMSM的三相 电流生成同步参考坐标系的电流；以及电压控制器，其配置成响应于 负载变化而生成对电压进行补偿的直轴参考电压。

在一些示例性实施例中，所述装置可以进一步包括：第一变换单 元，其配置成：将所述交轴参考电压和所述直轴参考电压变换成三相 参考电压，以及将变换后的三相参考电压提供给所述IPMSM。

在一些示例性实施例中，所述装置可以进一步包括：电流检测单 元，其配置成检测输入所述IPMSM的三相电流，其中，所述电流检测 单元将检测到的三相电流提供给所述电流变换器。

在一些示例性实施例中，所述电流变换器可以包括：第二变换单 元，其配置成将所述三相电流变换成静止参考坐标系的两相电流；以 及第三变换单元，其配置成将静止参考坐标系的所述两相电流变换成 同步参考坐标系的两相电流。

在一些示例性实施例中，所述电流变换器可以进一步包括：模拟/ 数字（A/D）转换器，其配置成将所述IPMSM的三相电流转换成数字 数据。

在一些示例性实施例中，所述电压控制器通过从所述电流变换器 获得的同步参考坐标系的电流中观测转矩分量电流来生成直轴参考电 压。

在一些示例性实施例中，所述电压控制器可以包括：比较器，其 配置成根据从所述电流变换器接收的所述同步参考坐标系的电流生成 当前电流与在前电流之间的误差；以及第二生成单元，其配置成通过 将比例增益应用到所述误差来生成所述直轴参考电压。

根据本公开的用于控制IPMSM的装置具有有益效果：其中，通过 基于通常用于感应电动机的电压/频率恒定控制来实现转矩脉动减缓电 压控制、在使用PWM逆变器的IPMSM的控制期间省去需要复杂等式 和电动机常数的矢量控制，能够容易地执行IPMSM的控制。

附图说明

结合附图，从以下示例性实施例的描述中，本公开的上文和/或其 他方面将变得明显并且更容易理解，其中：

图1是说明根据现有技术的脉宽调制（PWM）逆变器系统的配置 的方框图；

图2是说明图1中的控制器的具体配置的概念上的方框图；

图3是由图1的控制器进行电压/频率恒定控制期间的IPMSM （300）的电流波形；

图4是说明根据本公开的示例性实施例的用于控制IPMSM的装置 的配置的方框图；

图5是说明根据本公开的示例性实施例的图4的电流变换单元的 示意性方框图；

图6是说明根据本公开的示例性实施例的图4的电压控制器的示 意性方框图；以及

图7是说明根据本公开的示例性实施例的响应于逆变器系统中的 IPMSM的负载的电流的示意图，所述逆变器系统装配有用于控制 IPMSM的装置。

具体实施方式

在本公开的描述中，可以省略技术上已知的构造或过程的具体描 述，以避免关于这样的已知的构造和功能的不必要的细节使本领域普 通技术人员模糊对发明的理解。因此，说明书和权利要求书中使用特 定术语或特定单词的含义不应限制为字面意思或通常采用的意思，而 应该将其理解成或者可以根据用户或操作者的意图以及习惯用法而不 同。由此，特定术语或特定单词的定义应当基于贯穿说明书的内容。

此后将参照附图更加充分地描述各种示例性实施例，其中，示出 了一些示例性实施例。但是，本发明构思可以具体化成众多不同形式 并且不应理解为限制到本文陈述的示例性实施例。更确切地，提供这 些示例性实施例使得本说明书将是全面和完整的，并且将向本领域技 术人员充分地表达本发明构思的范围。

电动机中应用的负载可以分成恒定转矩（CT）负载和可变转矩 （VT）负载。尽管必须在CT负载下的所有速度区域中获得转矩性能， 但是，在VT负载中没有必要在所有速度区域中获得转矩性能，因为， 在多数部件中，转矩与速度成比例地增加。有代表性的VT负载可以包 括风扇和泵负载。

在将IPMSM应用到VT负载的情况下，不需要类似矢量控制的高 性能控制。由此，即使不应用类似矢量控制的复杂的算法，而通过引 入电压/频率恒定控制，本公开也能够获得电动机性能，电压/频率恒定 控制是用于感应电动机的容易的控制方法。

现在，将参照附图具体描述本公开的示例性实施例。

图4是说明根据本公开的示例性施例的用于控制IPMSM的装置的 配置的方框图。

将根据本公开的示例性实施例的用于控制IPMSM的装置提供给 图1中所示的逆变器系统的PWM转换器（200）的内部，并且提供所 述装置以便例如替代控制器（230）执行IPMSM（300）的电压/频率恒 定控制。

参见图4，用于控制IPMSM的装置（此后称作“装置”）包括： 电压/频率（V/F）模式单元（10）、三相参考电压生成单元（20）、通过 测量电动机电流来控制电动机电流的电流变换单元（30）以及响应于 负载变化而补偿电压的电压控制器（40）。

V/F模式单元（10）根据参考频率（fref）生成同步参考坐标系的 交轴参考电压（VqseRef）。V/F模式单元（10）的配置和操作对本领域 技术人员是公知的，因此将省略对其具体的解释。

在本公开中，为了使电流变换单元（30）和电压控制器（40）响 应于IPMSM（300）中的负载变化而限制转矩分量电流脉动，生成直 轴参考电压（VdseRef）以控制V/F模式单元（10）的电压幅度和直轴 电压两者，借此能够控制相位。后文将描述电流变换单元（30）和电 压控制器（40）的具体配置。

三相参考电压变换单元（20）将参考电压（VdseRef、VqseRef） 变换成三相参考电压（VasRef、VbsRef、VcsRef），并且将变换 （conversion）提供给PWM逆变器（200）的电力变换单元（210）以 及提供给IPMSM（300）。

通过观测三Iqse电流来生成用于响应于电动机中的负载变化而限 制转矩分量电流脉动的直轴参考电压（VdeRef），Iqse电流对应于从使 用电动机的三相电流（Iu、Iv、Iw）的电流检测单元（220）获得的转 矩分量电流。

图5是说明根据本公开的示例性实施例的图4的电流变换单元的 示意性方框图。

参见图5，根据本公开的电流变换单元（30）包括：模拟/数字（A/D） 转换器（31），其将三相电流（Iu、Iv、Iw）转换成数字数据；第一坐 标变换器（32），其将数字化的数据（Iu’、Iv’、Iw’）变换成静止参考 坐标系的两相AC电流；以及第二坐标变换器（33），其将两相AC电 流（Idss、Iqss）变换成同步参考坐标系的两相DC电流。

图1的电流检测单元（220）检测电动机电流（Iu、Iv、Iw）并且 将电动机电流（Iu、Iv、Iw）发送到本公开的装置。

使用由A/D转换器（31）数字地转换后的电流（Iu’、Iv’、Iw’），

第一坐标变换器（32）根据下文的等式1获得静止参考坐标系的两相 电流（Idss、Iqss）。

【等式1】

Idss=Iu'

$\mathrm{Iqss}=\frac{1}{\sqrt{3}}\times ({\mathrm{Iv}}^{\prime }-{\mathrm{Iw}}^{\prime })$

使用下文的等式2，第二坐标变换器（33）将通过第一坐标变换器 （32）获得的静止参考坐标系的电流（Idss、Iqss）变换成同步参考坐 标系的两相DC电流（Idse、Iqse）。

【等式2】

Idse＝Idss×cosθ+Iqss×sinθ

Iqse=-Idss×sinθ+Iqss×sinθ

通过观测由直流变换器（30）获得的转矩分量电流（Iqse），由电 压控制器（40）来生成直轴参考电压（VdeRef），参照附图对其进行解 释。

图6是说明根据本公开的示例性实施例的图4的电压控制器的示 意性方框图，其中，电压控制器（40）最终生成用于限制对应于转矩 分量电流的电流（Iqse）的脉动的电压（VdseRef）。

参见图6，本公开的电压控制器（40）包括：比较器（41），其生 成在前电流（Iqse[n-1]）和当前电流（Iqse[n]）之间的误差；以及直轴 参考电压生成单元（42）。

如上文所解释地，比较器（41）生成在前电流（Iqse[n-1]）和当前 电流（Iqse[n]）之间的误差。

直轴参考电压生成单元（42）将比较器（41）所输出的在前电流 （Iqse[n-1]）和当前电流（Iqse[n]）之间的误差乘上比例增益（K）以 生成直轴参考电压。

在当前电流（Iqse[n]）大于在前电流（Iqse[n-1]）的情况下，本公 开的电压控制器（40）减少直轴参考电压，并且在相反的情况下增加 直轴参考电压，以恒定地控制转矩分量电流（Iqse），借此能够减少由 IPMSM（300）中的负载变化引起的转矩波动。

可以通过下文的等式3来获得直轴参考电压（VdseRef）：

【等式3】

Vdse Ref=K×(Iqse[n-1]-Iqse[n])

图7是说明装配有根据本公开的示例性实施例的用于控制IPMSM 的装置的逆变器系统中的响应于IPMSM的负载的电流的示意图。

参见图7，能够注意到，根据本公开的IPMSM能够减少如图3中 响应于负载的电流脉冲并且能够在正常状态中操作。

尽管已经参照本公开的若干说明性的实施例描述了本公开，但是， 应当理解，本领域技术人员能够设计出许多其他改变和实施例，这些 改变和实施例将落入本公开的原理的精神和范围内。

更特别地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内，在组成部 分和/或主题组合排布的布置中，众多变化和改变是可能的。除了组成 部分和/或布置中的变化和改变，对于本领域技术人员来说替代使用也 将是显而易见的。