用于控制具有解耦控制的电动机推进单元的方法和设备

摘要

用于控制电动机的方法，该电动机装备有转子和定子、用于测量在转子和定子中流动的电流的传感器、用于确定电流设定点的装置和用于处理来自测量传感器的信号的装置，该方法的特征在于它包含以下步骤，在这些步骤中：通过变换确定中间信号，电动机的定子电压和转子电压根据该变换在解耦参考系统中表达为从处理装置（6）接收的信号的函数，以及作为在满足电流设定点的电动机的转子和定子中流动的电流的函数的用于调节电压的信号被确定为通过变换获得的中间信号的函数。

说明书

技术领域

本发明的技术领域为电动机且尤其是绕线转子同步类型的电动机领域 的控制。

背景技术

绕线转子同步类型的电动机包含被称为定子的固定部分和被称为转子 的运动部分。定子包含偏移120°且采用交流电供电的三个线圈。转子包 含采用直流电供电的线圈。

定子的相位电流取决于转子和定子的电阻和电感以及转子和定子之间 的互感。

发明内容

本发明的目标是改善绕线转子同步类型的电动机的电流调节的质量， 即，可以实现现有技术的调节器。

根据实施方式的一种模式，限定一种用于系统控制的方法，该系统包 含装备有转子和定子的电动机、用于测量在转子和定子中流动的电流的传 感器以及用于确定电流设定点的装置以及用于处理源自测量传感器的信号 的装置，该方法的特征在于它包含以下步骤，在这些步骤中：

通过变换确定中间信号，电动机的定子和转子电压根据该变换在解耦 参考帧中表达为从处理装置接收的信号的函数，以及

作为在满足电流设定点的电动机的转子和定子中流动的电流的函数的 用于调节电压的信号，被确定为通过变换获得的中间信号的函数。电流设 定点代表扭矩设定点。

该控制方法的优点是：转子电流的变化和定子电流的变化之间的总解 耦允许改进的车轮扭矩设定点跟踪。

与在Park参考帧中工作的常规耦合补偿设备中执行的解耦相比，这 种解耦较不复杂。

控制方法可以包含步骤：其中电压调节信号饱和，从而满足涉及固定 到机动车辆且连接到电动机的电池的约束。

控制方法可以包含步骤：其中积分限制通过向所述饱和电压调节信号 施加反转变换来确定，积分限制在所述反转变换之后被应用到新中间信号 的确定。

控制方法可以包括步骤：其中通过限制实际传输到致动器的控制的变 化来确保控制的连续性。

根据实施方式的另一模式，限定一种用于装备有转子和定子的电动机 的控制的系统，其包含用于测量在转子和定子中流动的电流的传感器和用 于确定电流设定点的装置，该系统的特征在于它包含：

用于处理测量和请求的装置，该装置在输入处连接到测量传感器并且 连接到用于确定电流设定点的装置，

在变换之后提供中间信号的变换装置，该变换装置在输入处连接到用 于处理测量和请求的装置，电动机的定子和转子电压根据该变换在解耦参 考帧中表达，

在输入处连接到变换装置的确定装置，该确定装置能够发射用于满足 电流设定点的电动机的电压调节的信号。

控制系统可以包含从确定装置接收的电压调节信号的饱和器。

控制系统可以包含从饱和器接收的饱和电压调节信号的反转变换的装 置。

控制系统可以包含用于处理从饱和器接收的饱和电压调节信号的输出 的装置。

附图说明

当阅读仅通过非限制性示例给出且参考附图的下文描述时将显见其它 目标、特征和优点，在附图中：

－图1说明用于电动机推进单元的控制的方法，以及

－图2说明用于电动机推进单元的控制的设备。

具体实施方式

由于定子的正弦电流和电机旋转的同步以及转子和定子之间的动态耦 合的缘故，绕线转子同步电动机的电流调节呈现出困难。

因此，使用反转器，使得可以控制定子和斩波器的相位电压以控制转 子的电压。

不是使用正弦设定点，而是使用Park变换以便能够调节恒定信号。 Park参考帧中的定子调节信号表示为V_d、V_q。转子调节信号表示为V_f。

以已知方式，我们具有下面的等式：

${\tilde{V}}_d=R_s{I}_d+L_d\frac{{\mathrm{dI}}_d}{\mathrm{dt}}-{\omega }_r{L}_q{I}_q$

${\tilde{V}}_q=R_s{I}_q+L_q\frac{{\mathrm{dI}}_q}{\mathrm{dt}}+{\omega }_r(L_d{I}_d+M_f{I}_f)$（等式1）

${\tilde{V}}_f=R_f{I}_f+L_f\frac{{\mathrm{dI}}_f}{\mathrm{dt}}-\frac{{3M}_f}{{2L}_d}(R_s{I}_d-{\omega }_r{L}_q{I}_q)$

在等式（I）和（III）中，明确地指出：

-Vd取决于I_d的变化、电流i_f的变化（动态耦合）以及电流i_d和I_q。

-Vf取决于电流I_d的变化、电流i_f的变化（动态耦合）以及电流i_f。

从控制观点来看，Vd和Vf与电流的这些变化（动态耦合）的依赖关 系是不利的，因为Vd或Vf的变化将导致电流I_d和电流I_f中的变化，因 而其控制呈现耦合。

为了规避电流I_d的变化和电流I_f的变化之间的这种动态耦合，执行变 量变化，从而在解耦参考帧中表达定子和转子电压，也就是说在其中电流 I_i的变化仅取决于单个电压其中i是等于d、q或f的指数且j是等于 x、y或z的指数。

在变量的这种变化之后：被控制的系统然后 可以通过以下等式表达：

${\tilde{V}}_x=R_s{I}_d+L_d\frac{{\mathrm{dI}}_d}{\mathrm{dt}}-{\omega }_r{L}_q{I}_q$

${\tilde{V}}_y=R_s{I}_q+L_q\frac{{\mathrm{dI}}_q}{\mathrm{dt}}+{\omega }_r(L_d{I}_d+M_f{I}_f)$(等式1）

${\tilde{V}}_z=R_f{I}_f+L_f\frac{{\mathrm{dI}}_f}{\mathrm{dt}}-\frac{3M_f}{{2L}_d}(R_s{I}_d-{\omega }_r{L}_q{I}_q)$

其中：

d轴的解耦参考帧中的新定子电压。

q轴的解耦参考帧中的新定子电压。

f轴的解耦参考帧中的新转子电压。

L_d：d轴上即Park参考帧的极轴上的等效电枢电感。

L_q：q轴上即Park参考帧的极间轴或横向轴上的等效电枢电感。

L_f：转子电感。

R_s：定子绕组的等效电阻。

R_f：转子电阻。

M_f：定子和转子之间的互感。

I_d：d轴上即Park参考帧的极轴上的定子电流。

I_q：q轴上即Park参考帧的极间轴或横向轴上的定子电流。

I_f：转子电流。

ω_r：旋转速度。

值L_d、值L_q、值L_f、R_s、R_f和M_f通过现有测量获知。

这种类型系统呈现的主要困难在于，d和f轴之间的动态耦合、难以 识别参数的变化以及最终供电电池的电压约束。

电压约束如下：

$V_d^2+V_q^2\le \frac{V_{\mathrm{bat}}^2}{3}$（等式2）

0≤V_f≤V_bat

其中V_bat:电池电压

图1中说明的控制方法使得可以控制电流I_d、I_q和I_f，从而满足车轮 扭矩需求。因此，调节器必须获得的电流方面的经过滤和缩放的测量以及 参考设定点（代表扭矩设定点）可用。

在第一步骤1中，在解耦参考帧中，实施调节器的合成，这具有以下 形式：

${\tilde{V}}_x=K_d(I_d^{\mathrm{ref}}-I_d)+K_{\mathrm{id}}\int (I_d^{\mathrm{ref}}-I_d)$

${\tilde{V}}_y=K_q(\mathrm{If}-I_q)+\mathrm{Kj}(\mathrm{If}-I_q)$（等式3）

${\tilde{V}}_z=K_f(I_f^{\mathrm{ref}}-I_f)+K_{\mathrm{if}}\int (I_f^{\mathrm{ref}}-I_f)$

其中

d轴上的参考定子电流。

q轴上的参考定子电流。

参考转子电流

K_d,K_q,K_f,K_id,K_iq,K_if：调节参数。

调节器的合成因此在解耦参考帧中而非Park参考帧中执行。

电流是源于处理装置6的设定点电流。等式（等式1） =（等式3）使得可以确定调节参数K_d,K_q,K_f,K_id,K_iq,K_if。

可以看出，调节器使得可以确定仅取决于d轴的电流的变化（1a）的 沿着x轴的电压同样，沿着y轴的电压和沿着z轴的电压 分别仅取决于q轴和转子的电流变化（I_q）和（I_f）。因此耦合在调 节器的水平被最小化。

以该新基础表达的电压信号是中间信号。为了具有对真实值 的访问，反转变换是必须的。因此，在第二步骤2的过程中，计算实际施 加于系统的电压调节信号：

$V_d={\tilde{V}}_x+\frac{M_f}{L_d}({\tilde{V}}_z-R_f{I}_f+\frac{3M_f}{2L_d}(R_s{I}_d-{\omega }_r{L}_q{L}_q))$

$V_q={\tilde{V}}_y$（等式4）

$V_f={\tilde{V}}_z+\frac{{3M}_f}{{2L}_d}{\tilde{V}}_x$

电压调节信号Vd、Vq、Vf因而确定为中间信号、电机的物理参数值 （电感、电阻等）和在电机中流动的电流（I_a、I_q、I_f）的函数。

在第三步骤3中，在第二步骤中计算的电压调节信号饱和，从而满足 涉及电池的约束（通过满足等式2）。

在第四步骤4中，通过应用相对于等式4的矩阵的逆的矩阵使得在第 三步骤中计算的饱和调节信号反转来确定积分限制。积分限制因而以解耦 参考帧的形式表达。此后在步骤1的水平考虑积分限制，从而限 制等式3的第二项的积分。当值超过在步骤4中获得的的饱和值时，积分暂停。

第五步骤5通过限制其变化确保控制的连续性。在步骤5之后，简单 的正弦电压U、V、W的值被计算（逆Park变换）且用作施加到实际系统 的电压。

获得的控制方法从可靠性观点来看是有效的且相对于干扰是鲁棒的。

在图2中可以看出，控制设备包含能够过滤和缩放从传感器接收的信 号（例如来自电流I_d、I_q和I_f的传感器的信号）的用于处理测量和的请求 的装置6。

处理装置6在输出处链接到变换装置7，使得它可以确定信号即中间信号。变换装置7应用等式3和等式1。

变换装置7在输出处链接到确定装置8，该确定装置8能够将电压调 节信号确定为V_d、V_q、V_f为中间信号的函数。确定装置8应用 等式4。

确定装置8在输出处链接到饱和器9，该饱和器9能够根据等式2限 制电压调节信号V_d、V_q、V_f。

饱和器9在输出处链接到反转装置10和用于处理输出的装置11。

反转装置10能够将饱和中间信号确定为从饱和器9接收的饱和电压调 节信号的函数。因此，反转装置10应用作为等式4的矩阵的逆的矩阵。饱 和中间信号此后被传输到变换装置7。

用于处理输出的装置11能够以限制机械应力和操作振动的方式限制 在两个计算循环之间被传输到致动器的饱和电压调节信号的变化。