內置永磁電機中磁場削弱的線性的製作方法

2023-12-11 09:07:52 2

專利名稱：內置永磁電機中磁場削弱的線性的製作方法
技術領域：
本發明的實施例一股涉及電機控制，特別是涉及影響電機的磁場削弱(field weakening)區域中轉矩線性的技術。
背景技術：
電機將電功率轉換為機械力和運動。電機用於許多應用中，包皿如自、 io冰箱以及洗衣機的家用電器。電力傳動裝置也越來越多地應用於電動車輛和混 合電動車輛中。旋轉電機一般具有內部旋轉磁體，稱為轉子，其在固定的定子內部旋轉。 轉子電磁場與定子繞組產生的場之間的相互作用產生了電機轉矩。轉子可以是 永磁體也可以由線圈構成。然而，如果轉子具有^A其中的7乂磁體(即，該永15磁體不在轉子表面)，電機可以被稱為內置7乂磁(IPM)電機。在其兩端提供輸 入電壓的電機部分稱作"電樞"。根據電機的設計，要麼轉子作為電樞，要麼定 子作為電樞。在IPM電機中，電樞是定子，並且是一組繞組線圈，其由輸入電 壓供電來驅動電機。將機械能轉換為電能的反向任務由發生器或發電機完成。上面提到的電機20也可以用作發電機，因為部件是相同的。當電m/發電機被機械轉矩驅動時，輸 出電。用在混合動力車輛和電動車輛或者電動機車上的牽引機經常執行這兩種 任務。通常隨著電機加速，為了將定子電壓保持在其極限內電樞(以及因此場) 電流減少。磁場中的衰減減少了電機內部的磁通量，其也被稱為磁通量或者磁25場削弱。磁場削弱控制技術可以用來增強電機轉矩速度特性的性能。為了保持對定子電流的控制，可以通過磁場削弱控制迴路減小電機磁場。IPM電機中的 磁場,通量的削弱可以通過調整定子勵磁來完成。IPM電機中的定子勵磁可 以由電壓源逆變器的電壓脈衝寬度調製(PWM)來控制。在過去，鵬量肖搦技術就已經被使用，其中有目的地削弱IPM磁通量， 30以減少與高磁通量相關的問題，比如，由高反電動勢(Back-EMF)引起的過電
壓。例如，在電機的恆定轉矩區域操作期間，閉環電流調節器控制己經被用於 控制所施加的PWM電壓激勵，使得瞬時相電^ 艮隨其命令的值。然而，當電機終端電壓M PWM逆變器的最大電壓時，可能在較高的速度發生電流調節 器的飽和。除此之外，為了保持合適的電流調節直至最大可用的電機速度，應 5該削弱磁通量。減少電機內部的Mffi量在高速時提供了改善的IPM電機的功率 特性。然而，轉矩可能正比於鵬量而M^。因此，希望將IPM電機的磁場削弱區域中的傲巨線性保持在電壓和電流系 統限制內。此外，根據隨後的詳細描述和隨附的權利要求書，結合附圖和前述 的技術領域和背景技術，其他可取特徵和特性將變得顯而易見。 io 發明內容公開了用於在IPM電機的磁場削弱區域中產生車轉巨線性的系統和方法。該 系統和方法分別使用磁通量削弱和轉矩線性控制迴路來調整IPM電機的定子電 流命令的q軸和d軸分量。從而，在IPM電機的磁場削弱區域操作期間保持轉 矩統性。15 根據第一實施例的系統包括以下元件。表格查找模塊用來接收轉矩命令、轉子角速度和直流鏈路電壓(DC-link voltage)作為輸入，並且輸出q軸和d軸 電流命令。具有動態過調製(dynamic over modulation)的同步電流調節器模塊 也用 於該電流命令產生q軸和d軸電壓命令。為了補償q軸命令的電流和q 軸可用電流之間的差異，使用磁場削弱模塊來基於電壓命令產生用於q軸電流20命令的調整。加法器用^3I)l將q軸電流調整增加到q軸電流命令來調整q軸 電流命令。另外，為了保持轉矩統性，轉矩統性模±央產生作為q軸電流調整函 數的d軸電流調整。第二加法器用M過將d軸電流調整增加到d軸電流^^令 來調整d軸電流命令。這裡所描述的方法的實施例開始於基於轉矩命令、轉子角速度和直流鏈路25電壓產生q軸和d軸電流命令。然後，該方法基於電流命令產生q軸和d軸電 壓命令。為了補償q軸命令的電流和q軸可用電流之間的差異，該方法基於電 壓命令產生對q軸電流命令的調整。然後，為了調整q軸電流命令，該方法將q 軸電流調整增加到q軸電流命令。另外，為了保持轉矩統性，該方法產生作為q 軸電流調整函數的d軸電流調整。然後，為了調整d軸電流命令，該方法將d30軸電流調整增加到d軸電流命令。
根據另一實施例的第二系統包括用於電機的轉矩線性控制體系結構，其包括以下元件。比例增益模±央產生比例增益，以及將比例增益乘以q軸電流調整 以獲得d軸調整電流。限制器模塊將d軸電流調整保持在最大範圍內。


5 下面將結合附圖描述本公開的實施例，其中同樣的數字代表同樣的元件，以及圖1是包括用於矢量控制的IPM電機的現有控制系統的功育巨框圖，其中沒有轉矩線性塊；圖2是用於矢量控制的IPM電機的帶轉矩線性控制塊的控制系統的功能框10圖；圖3是圖2的控制系統的相電流限制模塊的功能框亂圖4示出了具有和不具有轉矩線性控制塊的IPM電機的電流調節性能；以及圖5 ^出用於操作具有,線性控制塊的電機的過程的流程圖。1具體實施方式
以下的詳細描述本質上僅是示範性的，並不打算限制本發明或者本發明的 應用和用途。此外，也不打算受前述的技術領域、背景技術、發明內容或者以 下的詳細描述中給出的任何明示或暗示的理論柳蹄u。這裡可以按照功能的和/或邏輯塊部件以及各種處理步驟來描述本發明的20實施例。應該理解這些塊部件可以i!31配置為執行特定功能的任意數量的硬體、軟體、和/或固件部件來實現。例如，本發明的實施例可以使用各種集成電路部 件，比如，存儲元件、受控開關、數位訊號處理元件、邏輯元件、查找表等等， 其可以在一個或多個微處理器或其他控制體的控制下執行各種功能。另外， 本領域技術人員將理解本發明的實施例可以與任何數量的車輛應用結合來實25現，並且這裡描述的系統僅僅是本發明的一個示例實施例。為了簡短起見，在這裡不詳細描述涉及車輛電氣部分和系統的其他功能方 面(以及系統的各個操作部件)的常規技術和部件。此外，包括在這裡的各附 圖中所示的連接線旨在表示各種元件之間的示例性功能關係和/或物理耦合。應 該注意的是，在本發明的實施例中可以存在許多可選的或附加的功能關係或物30理連接。
以下描述可能涉及"連接"或者"耦合"在一起的元件或節點或零件。正 如這裡所使用的，除非另有明確聲明，"連接"是指一個元件/節點y零件直皿 合到另一個元件/節點7零件((或者直接與其通信))，並且不一定是通過機械方 式。同樣地，除非另有明確聲明，"耦合"是指一個元件/節點/零件直接或間接 5地接合到另一個元件/節點y零件(或者直接或間接地與其通信)，並且不一定是ilil機械方式。因此，儘管在圖2所示的示意圖中描述了元件的示例性布置， 但是附加的插入(meivening)元件、裝置、零件或部件也可以出現在本發明的 實施例中(假設不對系統的功能產生不利影響)。這裡在一個實際的非限制應用盼瞎況下(即IPM電機的控制系統)來描述io本發明的實施例。在此情況下，示例技術可應用於適合混合動力車輛的系統的 操作。然而，本發明的實施例不限於這些車輛應用，並且這裡描述的技術也可 以在其他電動的控制應用中使用。圖1是描述用於矢量控制的IPM電機的現有控制系統100的功能框圖，該 IPM電豐腿用於混合動力頓。這種系統是眾所周知的，因此，系統100的操15作在這裡不做詳細描述。簡要的說，控制系統100禾,磁通量削弱控制迴路來 調整IPM電機的定子電流命令/2*的q軸分量(q軸電流命令)。控制系統100 包括電流命令3-D表查掛臭決102、具有動態過調製的同步電流調節器模塊 116、直流到交流轉換模塊118、 PWM逆變器120、交流到直流轉換模塊122、 IPM電機124以及磁場削弱模塊114。控制系統100的操作如下所述。20 基於車轉巨命令f、轉子旋轉鵬,以及直流鏈路電壓Kzx:，禾,電流命令3-D表查拗莫塊102產生最優電流命令(/z/和V)。表查拗莫塊102的輸入由電 壓傳 從到逆變器120的Fzx:輸入提供，以及由位置傳感器(圖1中未示出) 從IPM電機124提供。q軸電流命令/^被調整以獲得調整的命令(/^)，如下 臓釋的。25 來自IPM電機124的/0和/2固定電流(stationaiy current)(定子電流的d軸和q軸分量)被卞皿到具有動態過調製的同步電流調節:||模±央116，同步電流 調節器模塊產生同步電壓命令(^*和命令電壓C和&*是利用轉子角位 置 旋轉的矢量，轉子角位置由IPM電機124提供。具有動態過調製的電流 調節器116的輸出(即Fz/和被饋送到直流到交流轉換模塊118，以基於30 Fz/和&*產生靜止坐標系(stationaryframe)電壓命令「g/)。
& 、 &和&靜止坐標系電壓^^令被饋送到逆變器120以產生4s、 /朋 和/cs， 4s和/a是靜止坐標系電流。逆變器120可以是例如PWM逆變器， 期每交流三相電壓施加到IPM電機124的定子繞組。然後，EPM電機124在基於靜止坐標系電流4s和fe的旋$#31度^ 5 下運行。交流到直流轉換模塊122基於/必、/覓、/cs和 產生/D和/e (定子反饋電 流的d軸和q軸分量)。控制系統100的其他細節在美國專利申請號2005/0212471 中能找到，該專利申請的全部內容在此引入以供參考。反電動勢正比於旋l琉度W。而且，電機的反電動勢隨著電機旋轉速度" io w的增加而增加。在某個旋轉速度以上，IPM電機的電壓可能變得高於總線的電 壓，導致電流的反向(再生而不是電動)。為了控制定子電流的/D和/e分量， il31磁場肖頓控制迴路來M^電機磁通量。磁場削弱模±央114基於&*和&*產生調整電流命令J2(^e是調整q軸電流，其減少電機中的磁通量但是也 ;^>糊)，來調整電流命令/2*。然後,3151加法器112將^%加到/2*，以產生鄉劍 15調整的電流命令/2**。M31這種方式調整/^導致車錄巨的減小，如將要在圖3的情況中解釋的夷附。 前述的轉矩減小減少了從IPM電機可得到的最大轉矩，並且可能減小電機效率。 磁場肖搦控制迴路模塊114的其他細節可以在2006年10月25日申請的美國專 利申請序列號11/552,580 (代理人案號GP-304998)中找到，該專利申請的全部20內容在此引入以供參考。利用根據本發明實施例的辯巨線性迴路來保持IPM電機的磁場削弱區域中 的轉矩統性，如下所述。圖2是示出用於矢量控制的IPM電機的控制系統200的框圖，該IPM電機 適合用於混合動力車輛中。系統200包括轉矩線性控制迴路，其適當地配置為25根據本發明實施例執行傲巨線性控制功能。系統200適於與具有電力牽引機的 (例如，電動 或混合動力車輛) 一起使用。除了圖2中示出的之外， 實際的控制系統200可以包^i午多電氣部件、電路和控制單元。控制系統200 中的常規子系統、特徵和方面在這裡不做詳細描述。控制系統200具有與控制 系統100相似的部件(共同的特徵、功能以及元件這裡不做贅述)。對於該實施30例，如圖2所示，控制系統200—般包括電流命令3-D表查找模塊202，轉矩
線性模塊204、相電流限制模塊211、具有動態過調製的同步電流調節器模塊 216、直流到交流轉換模塊218、 PWM逆變器220、交流到直流轉換模塊222、 IPM電機224以及磁場削弱控制迴路模塊214。系統200與IPM電機224 —起 操作。特別地，逆變器220驅動IPM電機224。 5 轉矩線性模塊204產生調整電流命令JD ( 是d軸上的調整電流，其減小了電機中的磁通量同時保持了轉矩線性)，調整電流命令^^基於^^e，如 下所述。實際上，42由磁場削弱控制迴路模塊214提供。加法器210將^)力口到/d*，以產生經過調整的電流命令/zT。該經過調整的電流命令/,被麟到 具有動態過調製的同步電流調節器模塊216。 io 對於這個實施例，轉矩統性模塊204包括比例增益模塊206和耦合到比例 增益模塊206的限制器模土央208。比例增益模塊206將比例增益K施加到J2。 K可以是常數，其值通常從大約1到大約3，或者其可以是作為轉矩命令(f) 和經過調整的電流命令(/2"*)的函數而變化的M。例如，K可以基於下述關 系式計算得到^---^~w，其中P為電機的極數，丄d和丄e是d軸和q15軸的電機電感，屍是車轉巨命令，/g柳是受限的q軸電流命令。^e乘以K得至IJ輸出電流調整命令(z。。然後^d被饋送到限制器208 以將電流調整命令值Jd保持在其範國內(大約-30到大約0安培)。為了保持/ir/e矢量在每磁通量邊界的最大轉矩(maximum toruqe per flux boundayr)內，使用相電流限制模塊211。相電流限制模決211配置成在任意20 DC電壓Kzx:和電機轉^Iit "h下設置最大相電流。圖3是描繪相電流限偉贖 塊211 (見圖2)的功能框圖。最大可用電流塊230提供作為「zx:和W函數的 最大相電流& 。最大相電流/sfe^在度定轉矩區域內是恆定的。然而，在磁 場削弱區域內，/5 r,;相應M^以跟隨每磁通量電機曲線的最大轉矩(maximum torque per flux machine curve)。 /2**首先被/^,^艮制，得到受限制的q軸電流命25令/2***。最大d軸電流命令的計算如下4—)=U2 。然後，/,被/d 限制從而得到受限制的d軸電流命令/zT*。圖4示出了具有和不具有車錄巨統性控制塊的電流調節性能。磁場削弱控制迴路模塊214 fflil如上所述用12的值調整/2電流，來在有效電壓下保持電流 調節器穩定。然而，^72將電流矢量310從71恆定轉矩曲線上的點304移動到 T2恆定轉矩曲線上的點308，由此正比於磁通量而減少轉矩。在IPM電機的磁 場削弱區域中希望將電流矢量保持在71恆定轉矩曲線上。為此，轉矩統性模塊 204的控制迴路產生JD，期每電流矢量310從72恆定轉矩曲線上的點308移 動到71恆定轉矩曲線上的點306，由此保持轉矩恆定並保持IPM電機的磁場削 5弱區域中的轉矩統性。這裡所描述的技術調整/D和/e兩者來M^磁場削弱區域 中的磁通量，同時保持了,線性。圖5是示出用於電動車輛、混合電動 或者燃料電池車輛的轉矩線性操 作過程400的流程圖。過程400可以通過如上所述的控制系統200來完成。結 合過程400完成的各種任務可以由軟體、硬體、固件或它們的任意組合來實現。io應該理解，過程400可以包括任意數量的附加的或可選的任務，圖5中所示的 任務不需要按照示出的次iWl行，並且過程400可以合併到具有這裡未詳細描 述的附加功能的更廣泛的禾聘或過程中。為了說明性的目的，過程400的以下 描述可以弓間上面結合圖1-3提及的元件。過程400調整IPM電機的定子電流命令的q軸和d軸分量(/D、 V)，因15此，在IPM電機的磁場削弱區域期間徵E保持線性，該轉矩否則會正比於M 量的減少而下降。在實際的實施例中，過程400的多個部分可以由控制系統200 的不同元件來執行，例如電流命令3-D表查掛莫塊202、總巨統性模塊204、相 電流限制模塊211、具有動態過調製的同步電流調節器模塊216、直流到交流轉 換模塊218、 PWM逆變器220、交流到直流轉換模塊222、 IPM電機224以及20磁場削弱控制迴路模塊214。總巨統性操作過程400開始於基於轉矩命令"、轉子角速度W和直流鏈 路電壓&產生第一和第二電流命令(/2、0 (任務402)。過程400也基於&*和&*電壓^^令產生調整電流命令^% (任務406)，並 且將^2加到/2*來獲得/2"經過調整的電流命令(任務408)。然而，轉矩被減25少，如上面在圖3盼瞎況中所述。為了保持糊線性，過程400產生作為Je 調整電流命令的函數的^)調整電流命令(任務410)。然後，轉矩線性迴路應 用電流調整增益K(任務412)，將J2乘以K得到輸出電流命令^^(任務414)， 以及限制輸出電流命令來獲得在需要範圍內(大約-30到大約0安培)的^)調 整電流命令(任務416)。 K值以及限制器的下限和上限的值如上所述。30 然後，過程400將UB到/z/和第二電流命令以得到/cT經過調整的電流
命令(任務418)。 ^D調整/z;電流命令，使得轉矩統性保持恆定，如上圖4中 所示，同時IPM磁場被削弱。過程400然後限制q軸和d軸電流/f和/,來 產生受限制的q軸和d軸電流命令/f和/zT(任務419)。返回來，/2***和/,* 用作模塊216的輸入來產生電壓命令(P^和lV)。由此，合適地調整了電流以 5肖溺IPM電機中的磁場。然後，過程400基於/zT、 /2一、 /0和/2產生1^和「2*電壓命令(任務420)。過程400 Mil將驅動負載電流傳遞到電機上使IPM電機定子以,旋轉 (任務422)。為此，基於&*和K同步電壓命令產生&*、 &/和&*靜止坐 io標系電壓命令，以生成/w、 45和/c 靜止坐標系電流。然後，將負載通過靜止 坐標系電流傳遞到IPM電機。利用這種方法，在IPM電機的磁場削弱區域中保持了轉矩緣性。 雖然在前面的詳細描述中給出了至少一個示範性實施例，但是應該理解存 在大量的變型。也應該理解一個或多個示範性實施例僅僅是例子，並不打算以 15任何方式限制本發明的範圍、應用或者配置。此外，前面的詳細描述為本領域 技術人員提供了實施一個或多個示範性實施例的方便的路線圖。應該理解的是， 在不脫離如隨附的權利要求書及其法律等效物所記載的本發明的範圍的前提 下，可以對功能和元件布置做出各種改變。
權利要求
1、一種用於電機的控制系統，該控制系統包括具有動態過調製的同步電流調節器模塊，其基於第一和第二電流命令以及第一和第二反饋電流，產生第一和第二電壓命令；磁場削弱模塊，其基於第一和第二電壓命令產生第一調整電流命令；第一加法器，其基於第一調整電流命令和第一電流命令產生第一經過調整的電流命令；轉矩線性模塊，其基於第一調整電流命令產生第二調整電流命令；以及第二加法器，其基於第二調整電流命令和第二電流命令產生第二經過調整的電流命令。
2、 根據權利要求1的系統，其中糊線性模鵬一步包括 具有比例增益的比例增益模塊，其中第一調整電流命令乘以該比例增益得15至IJ輸出電流命令；以及齢到比例增益模塊的限制掛莫塊，該限制親莫塊配置^ilii限制輸出電流命令，產生該第二調整電流命令。
3、 根據權利要求2的系統，其中銜匕例增益是常數。
4、 根據權利要求2的系統，其中該比例增益是受鄉和定子電流的q軸分 量影響的 。根據權利要求1的系統，其中具有動態過調製的同步電流調節親莫土規一 步基於第一和第二經過調整的電流命令以及第一和第二反饋電流，產生第一和 25第二腿命令。
5、 根據權利要求1的系統，進一步包括表查鄉塊，表查拗對央接收轉矩 命令、轉子角3IiS以及直流鏈路電壓並且產^m—和第二電流命令。
6、根據權利要求1的系統，進一步包括相電流模塊，相電流模塊接雌流鏈路電壓以及電機轉Tii度，並且限制該第一和第二經過調整的電流命令，以第—和第二受限制的電流命令。
7、 —種操作電機的方法，該方馳括5 基於第一和第二電流命令以，一和第二反饋電流，產生第一和第二電壓命令；基於第一和第二電壓命令，產生第一調整電流命令；將第一調整電流命令與第一電流命令相加，得到第一經過調整的電流命令; 基於第一調整電流命令，產生第二調整電流命令；以及 10 將第二調整電流命令與第二電流命令相加，得至瞎二糹S1調整的電流命令。
8、 根據權利要求7的方法，其中產錢二調整電流命令進一步包括 將第一調整電流命令乘以電流調整增益，以獲得輸出電流命令；以及 P艮制織出電流命令，以獲得織二調整電流命令。15
9、 根據權利要求7的方法，進—步包括基於,命令、轉子角速度和直流 鏈路電壓，產生該第一和第二電流命令。
10、 根據權利要求7的方法，進一步包括基於第一和第二經過調整的電流 20命令以及第一和第二反饋電流，產生，一和第二電壓命令。
11、 根據權利要求7的方法，進一步包括接隨流鏈路電壓和電機l^ 度，限制第一和第二經過調整的電流命令，並且產生第一和第二受限制的電流 命令。25
12、 一種用於電機的糊線性控制體系結構，控繊穀她括 增益模塊，S2mm第一調整電流命令乘以增益以得至撇出電流命令；販 耦合到該增益模塊的限偉幡模塊，該限制器模塊隨鵬過限帝腧出電流命令來產，二調整電流命令。
13、 根據權利要求12的控審淋繫結構，進一步包括磁場削弱控制迴路，其 產錢一調整電流命令。
14、 根據權利要求12的控制體系結構，其中該增益是常數。
15、 根據權利要求12的控制體系結構，其中該增益是基於關係式K = ^---Z^^計算得到的,其中K為該增益，P為電機的極數,Z^和丄eformula see original document page 4分另提d軸和q軸的電機電感，f是,命令，以及f是受限制的q軸電流命 令。
16、 根據權利要求12的控制體系結構，進一步包括加法器，該加法器耦合 到P蹄iJ^塊並且配置成接收該第二調整電流命令作為一個輸入以及接收d軸 電流命令作為另一輸入，其中該加法娜該第二調整電流命令力倒該d軸電流 命令以產生d軸經過調整的電流命令。
17、 根據權利要求16的控制體系結構，進一步包括具有動態過調製的同步 電流調節器模塊，其基於d軸經過調整的電流命令、q軸經過調整的電流命令以 及d軸和q軸反饋電流，產生d軸和q軸電壓命令。
全文摘要
本發明涉及內置永磁電機中磁場削弱的線性。所公開的系統和方法為IPM電機在磁場削弱區域中提供轉矩線性。該系統和方法分別利用磁通量削弱和轉矩線性控制迴路來調整IPM電機的定子電流命令的q軸和d軸分量。由此，在IPM電機操作的磁場削弱區域期間保持轉矩線性。
文檔編號H02P21/00GK101399516SQ20081016111
公開日2009年4月1日 申請日期2008年7月28日 優先權日2007年7月27日
發明者G·加列戈斯-羅佩斯, M·佩裡西克, S·希蒂, Y·C·森 申請人:通用汽車環球科技運作公司