專利名稱：用于控制永磁電動機的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及永磁電動機。更具體地說，本發(fā)明涉及用于控制永磁電動機的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
一般來說，為了控制永磁電動機，需要確定永磁電動機的特性，諸如相位、頻率和由電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電動勢(“emf”)電壓的振幅，以便產(chǎn)生被施加在電動機端子上的電壓。
永磁電動機的這些特性可以通過使用位置傳感器獲得，位置傳感器導致了增加的花費，并且由于反饋信號受周圍環(huán)境(諸如噪音和溫度)的變化和(例如)雜質(zhì)的出現(xiàn)的影響，降低了這種方法的可靠性。
一種可能的方法涉及估計永磁電動機的電動勢。然而，在高速電動機的情況下，這種方法需要高計算速度，可能會產(chǎn)生高昂的花費。而且，由于電動機的特性依賴于周圍的環(huán)境，這種控制方法會很復雜。
從前面的敘述明顯可知，雖然已知許多控制永磁電動機的方法，但是根據(jù)永磁電動機的各種設計，這些方法或是需要位置傳感器和復雜的計算，或是必須適合于電動機的環(huán)境。
因此，需要一種系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法可以簡單、可靠的方式控制永磁電動機，并且可以自動地適應環(huán)境的改變。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于永磁電動機的改進的控制器系統(tǒng)和方法。
更具體地說，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于控制永磁電動機的系統(tǒng)，包括電動機控制器和功率級，電動機控制器使用永磁電動機的相電流產(chǎn)生與永磁電動機的速度和轉(zhuǎn)矩的變化有關的電壓控制信號，所述的電壓控制信號通過功率級被反饋回永磁電動機。
此外，提供了一種用于控制永磁電動機的方法，包括確定永磁電動機每個相的電流；獲得與永磁電動機的速度和轉(zhuǎn)矩的變化有關的電壓控制信號；并且將所述的電壓控制信號反饋回永磁電動機。
還提供了一種用于控制具有轉(zhuǎn)子和定子的三相永磁電動機的電路，包括旋轉(zhuǎn)器，可以將永磁電動機的相電流信號從靜止坐標系旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子同步坐標系中分別沿著縱向軸(Id)和正交軸(Iq)的兩個解耦電流分量；比例和積分運算器，用于獲得沿著正交軸的電壓(Vq)和沿著縱向軸的電壓(Vd)；旋轉(zhuǎn)器，它可以將電壓Vq和Vd從轉(zhuǎn)子同步坐標系旋轉(zhuǎn)回靜止坐標系以便產(chǎn)生永磁電動機的端子電壓Va、Vb和Vc。
還提供了用于控制具有轉(zhuǎn)子和定子的三相永磁電動機的方法，包括將永磁電動機的相電流信號從靜態(tài)坐標系分別旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子同步坐標系內(nèi)沿著縱向軸(Id)和正交軸(Iq)的兩個解耦電流分量；獲得沿著正交軸的電壓(Vq)；獲得沿著縱向軸的電壓(Vd)；將電壓Vq和Vd從轉(zhuǎn)子同步坐標系旋轉(zhuǎn)回靜止坐標系以便產(chǎn)生永磁電動機的端子電壓Va、Vb和Vc。
還提供了一種用于控制具有三個相的永磁電動機的方法，所述的三個相的每個相分別承載電流ia、ib、ic，所述的方法包括確定電流ia、ib、ic；以角-θn旋轉(zhuǎn)電流ia、ib、ic以產(chǎn)生電流Id和Iq；計算永磁電動機的當前轉(zhuǎn)矩；計算電流旋轉(zhuǎn)角θn+1；計算電壓輸出Vq；計算電壓輸出Vd；以旋轉(zhuǎn)角θn+1旋轉(zhuǎn)電壓Vq和Vd以產(chǎn)生三個電壓控制信號Va、Vb和Vc；并且將電壓控制信號Va、Vb和Vc施加到永磁電動機上。
通過閱讀下面結(jié)合附圖、對僅以示例的方式給出的實施例的非限定性說明，將會更加清楚本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點和特征。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一個方面的實施例的電動機控制器系統(tǒng)的簡圖；并且圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二個方面的實施例的用于控制電動機的方法的流程圖。
具體實施例方式
一般來說，本發(fā)明提供了一種用于通過監(jiān)測與電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化有關的端子電壓，控制三相電動機的系統(tǒng)和方法。
更具體地說，本發(fā)明規(guī)定首先將永磁電動機的相電流從靜止坐標系旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子同步坐標系內(nèi)的兩個解耦電流分量，這可以得出沿著正交軸的電壓和沿著縱向軸的電壓，此后，將正交軸電壓和縱向軸電壓從轉(zhuǎn)子同步坐標系旋轉(zhuǎn)回靜止坐標系以產(chǎn)生電動機端子電壓。
圖1中示出的系統(tǒng)10包括永磁電動機，此后其被稱為PM電動機12；功率級14；和電動機控制器16。
PM電動機12是具有轉(zhuǎn)子和定子(未示出)的三相電動機，每個相分別承載著電流ia、ib、ic。這些相電流被檢測并由帕克矢量旋轉(zhuǎn)器單元16使用，以產(chǎn)生三個電壓控制信號Va、Vb和Vc，然后，將這三個電壓控制信號提供給功率級14。
例如，功率級14可以是由Semikron提供的功率級類型，特別是(例如)SKiiPACKTM342 GD 120-314 CTV。
通過由用戶將表示PM電動機12的速度的值設置到系統(tǒng)10內(nèi)，控制電動機的角速度“ω”。用戶選擇一個參考電流值“I*”，該值通常被設置為0，但是也可以選擇其它的值。
電動機控制器16是以帕克矢量旋轉(zhuǎn)器單元的形式出現(xiàn)的。帕克矢量旋轉(zhuǎn)器單元16產(chǎn)生兩個連續(xù)旋轉(zhuǎn)角，它們具有瞬時值θn+1和-θn，其中負號表示相反的旋轉(zhuǎn)方向，下標“n+1”標識著當前計算角度，并且下標“n”標識著前一個計算角度。
為了清楚起見，現(xiàn)在將參考圖2說明根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，用于使用系統(tǒng)10控制永磁電動機的方法的主要步驟。
在第一個步驟100中，通過使用標準的電流傳感器確定來自PM電動機12的三個相的三個電流ia、ib、ic。
然后，在接下來的步驟(200)中，在反向帕克矢量旋轉(zhuǎn)器18中處理這三個電流ia、ib、ic，反向帕克矢量旋轉(zhuǎn)器18以角-θn旋轉(zhuǎn)這三個電流ia、ib、ic以輸出兩個電流Id和Iq。
在步驟300，這兩個電流Id和Iq被用于計算PM電動機12的當前轉(zhuǎn)矩(current torque)“T”，計算的轉(zhuǎn)矩反過來用于計算電流旋轉(zhuǎn)角(currentrotating angle)θn+1(步驟400)。
此外，這兩個電流Id和Iq還被用于計算兩個電壓輸出Vq和Vd(步驟500和600)。然后，在帕克矢量旋轉(zhuǎn)器20中以旋轉(zhuǎn)角θn+1旋轉(zhuǎn)電壓輸出Vq和Vd，以便產(chǎn)生三個電壓控制信號Va、Vb和Vc(步驟700)。
現(xiàn)在回到圖1，現(xiàn)在將更詳細地說明本發(fā)明的方法的步驟。
響應PM電動機12的速度ω和轉(zhuǎn)矩T的變化，從下式中得出當前計算角度θn+1＝θn+k1×ω+k2×T (1)其中k1和k2是常量。
如圖1中所見，相電流ia、ib、ic被通過線路12a、12b和12c引至第一反向帕克矢量旋轉(zhuǎn)器18，反向帕克矢量旋轉(zhuǎn)器18以角-θn旋轉(zhuǎn)相電流ia、ib、ic，以便根據(jù)固定在轉(zhuǎn)子軸上的d-q軸上的下列關系輸出兩個電流Id和IqId＝2/3×[ia×cos(θn)+ib×cos(θn+120°)+ic×cos(θn-120°)] (2)Iq＝2/3×[ia×sin(θn)+ib×sin(θn+120°)+ic×sin(θn-120°)] (3)應當注意，或是測量來自PM電動機12的三個相的三個電流ia、ib、ic，或是僅測量它們中的兩個，因為第三個相電流可以從其它兩個相電流中計算出來，這是因為如本領域的技術人員已知的，下面的關系成立Σithreephase=0---(4)]]>經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的值Id和Iq還被用于產(chǎn)生第一電壓輸出Vq，根據(jù)固定在轉(zhuǎn)子軸上的d-q軸上的下列等式，這考慮了預設值I*和Id之間的誤差Vq＝PI(I*-Id)+k3×Iq(5)其中k3是一個常量，“PI”表示比例和積分運算符，定義如下PI(x)＝ax+b∫xdt(6)其中a和b是常量并且積分是對時間進行的。
經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的值Id和Iq還被用于根據(jù)固定在轉(zhuǎn)子軸上的d-q軸上的下列關系，產(chǎn)生第二電壓輸出VdVd＝k5×Id+k4×Iq×ω(7)其中k4和k5是常量。
此外，如前面所述，由用戶設置速度ω，而轉(zhuǎn)矩T可以使用由前面的公式(2)-(3)所確定的Id和Iq和固定在轉(zhuǎn)子軸上的d-q軸上的Vd和Vq，由下式計算得出T＝(Vd×Id+Vq×Iq)/ω(8)然后，將連續(xù)旋轉(zhuǎn)參考坐標系中的兩個電壓Vd和Vq提交到第二帕克矢量旋轉(zhuǎn)器20，在其中它們被以角θn+1旋轉(zhuǎn)，以便根據(jù)下面的等式產(chǎn)生三個電壓控制信號，即Va、Vb和Vc，這三個電壓控制信號控制功率單元14Va＝Vd×cos(θn+1)+Vq×sin(θn+1)(9)Vb＝Vd×cos(θn+1+120°)+Vq×sin(θn+1+120°)(10)Vc＝Vd×cos(θn+1-120°)+Vq×sin(θn+1-120°)(11)應當注意，值k1到k5是設計系統(tǒng)10時，基于多個參數(shù)(包括所使用的計算機采樣速率、功率驅(qū)動的狀況、電流傳感器的靈敏度、電動機的特性等)由用戶設置的常量。
從前面的敘述中將會清楚得知，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)和方法，其中電動機端子電壓是自適應的。更具體地說，三個電流信號首先被從靜止坐標系分別旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子同步坐標系內(nèi)沿著縱向軸(Id)和正交軸(Iq)的兩個解耦電流分量。然后，在第一方面，通過對縱向軸電流分量施加比例和積分運算符，并加上沿著正交軸的電流分量和一個常數(shù)的積(見公式5)，得到沿著正交軸的電壓(Vq)。在另一方面，以一個常量與縱向軸電流分量的積與電動機的速度和正交軸電流分量的積的和(見公式7)，得到沿著縱向軸的電壓(Vd)。最后，將計算出的正交軸和縱向軸電壓(Vq和Vd)從轉(zhuǎn)子同步坐標系旋轉(zhuǎn)回靜止坐標系以產(chǎn)生電動機端子電壓(Va、Vb和Vc，見公式9-11)。
因此，該系統(tǒng)和方法響應速度和轉(zhuǎn)矩的變化以及周圍環(huán)境的變化，可以使用連續(xù)更新的角度值。
從上面的說明中還可以清楚地了解，本發(fā)明提供了一種用于控制具有轉(zhuǎn)子和定子的三相永磁電動機的電路，包括可以將永磁電動機的相電流信號從靜止坐標系分別旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子同步坐標系內(nèi)沿著縱向軸(Id)和正交軸(Iq)的兩個解耦電流分量的旋轉(zhuǎn)器；用于沿著正交軸得到電壓(Vq)，并且沿著縱向軸得到電壓(Vd)的比例和積分運算器；可以將電壓Vq和Vd從轉(zhuǎn)子同步坐標系旋轉(zhuǎn)回靜止坐標系以產(chǎn)生電動機端子電壓Va、Vb和Vc的旋轉(zhuǎn)器。
特別地，本領域的技術人員將會理解，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以不用借助于位置傳感器或永磁電動機易受環(huán)境影響的特性(諸如電動勢)而控制永磁電動機，從而可以適應環(huán)境的狀況。
雖然上面已經(jīng)以具體的實施例說明了本發(fā)明，但是可以對其進行修改而不脫離由所附權利要求定義的本發(fā)明的精神和本質(zhì)。
權利要求
1.一種用于控制永磁電動機的系統(tǒng)，包括電動機控制器和功率級，所述電動機控制器使用永磁電動機的相電流產(chǎn)生與永磁電動機的速度和轉(zhuǎn)矩的改變有關的電壓控制信號，這些電壓控制信號被通過功率級反饋回永磁電動機。
2.如權利要求1的用于控制永磁電動機的系統(tǒng)，其中所述的永磁電動機是具有轉(zhuǎn)子和定子的三相永磁電動機，其每一相分別承載著電流ia、ib和ic。
3.如權利要求1或2的用于控制永磁電動機的系統(tǒng)，其中所述電動機控制器是產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)角的帕克矢量旋轉(zhuǎn)單元。
4.如權利要求1到3中的任意一個的用于控制永磁電動機的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)連續(xù)地響應永磁電動機的速度和轉(zhuǎn)矩的變化以及周圍環(huán)境的變化。
5.一種用于控制永磁電動機的方法，包括確定永磁電動機的每個相的電流；獲得與永磁電動機的速度和轉(zhuǎn)矩的變化有關的電壓控制信號；并且將所述的電壓控制信號反饋回永磁電動機。
6.如權利要求5的用于控制永磁電動機的方法，其中所述的確定永磁電動機的每個相的電流包括測量兩個相的電流，并且使用關系式Σthreephasei=0---(4)]]>計算第三個相的電流。
7.如權利要求5或6的用于控制永磁電動機的方法，還包括計算永磁電動機的當前轉(zhuǎn)矩T。
8.如權利要求7的用于控制永磁電動機的方法，其中所述對當前轉(zhuǎn)矩T的計算包括以角-θn旋轉(zhuǎn)永磁電動機的每個相的電流，以便根據(jù)固定在永磁電動機的轉(zhuǎn)子軸上的d-q軸上的如下關系輸出兩個電流Id和IqId＝2/3×[ia×cos(θn)+ib×cos(θn+120°)+ic×cos(θn-120°)](2)Iq＝2/3×[ia×sin(θn)+ib×sin(θn+120°)+ic×sin(θn-120°)](3)
9.如權利要求6到8的任意一個的用于控制永磁電動機的方法，其中所述獲得電壓控制信號包括計算電流旋轉(zhuǎn)角θn+1；計算兩個電壓輸出Vq和Vd；并且以角θn+1旋轉(zhuǎn)電壓輸出Vq和Vd。
10.如權利要求9的用于控制永磁電動機的方法，其中所述對電流旋轉(zhuǎn)角度θn+1的計算是以公式θn+1＝θn+k1×ω+k2×T(1)使用永磁電動機的當前轉(zhuǎn)矩T和速度ω完成的，其中k1和k2是常量。
11.如權利要求9或10的用于控制永磁電動機的方法，其中所述對兩個電壓輸出Vq和Vd的計算包括計算固定在轉(zhuǎn)子軸上的d-q軸上的電壓輸出VqVq＝PI(I*-Id)+k3×Iq(5)，其中k3是常量，“PI”表示比例和積分運算符，定義如下PI(x)＝ax+b∫xdt(6)，其中a和b是常量，并且積分是對時間進行的；并且根據(jù)固定在轉(zhuǎn)子軸上的d-q軸上的下列關系，計算電壓輸出VdVd＝k5×Id+k4×Iq×ω(7)，其中k4和k5是常量。
12.如權利要求10或11的用于控制永磁電動機的方法，其中所述獲得電壓控制信號包括根據(jù)下面的公式Va＝Vd×cos(θn+1)+Vq×sin(θn+1)(9)、Vb＝Vd×cos(θn+1+120°)+Vq×sin(θn+1+120°)(10)和Vc＝Vd×cos(θn+1-120°)+Vq×sin(θn+1-120°)(11)獲得三個電壓控制信號Va、Vb和Vc。
13.如權利要求5到12中任意一個的用于控制永磁電動機的方法，其中所述的常量是基于從包括所使用的計算機采樣速率、功率驅(qū)動的狀況、用于電流測量的電流傳感器的靈敏度和永磁電動機的特性的一個組中選出的多個參數(shù)而設置的。
14.用于控制具有轉(zhuǎn)子和定子的三相永磁電動機的電路，包括旋轉(zhuǎn)器可以將永磁電動機的相電流信號從靜止坐標系分別旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子同步坐標系中沿著縱向軸(Id)和正交軸(Iq)的兩個解耦電流分量；比例和積分運算器用于得到沿著正交軸的電壓(Vq)和沿著縱向軸的電壓(Vd)；旋轉(zhuǎn)器可以將電壓Vq和Vd從轉(zhuǎn)子同步坐標系旋轉(zhuǎn)回靜止坐標系以便產(chǎn)生永磁電動機的端子電壓Va、Vb和Vc。
15.一種用于控制具有轉(zhuǎn)子和定子的三相永磁電動機的方法，包括將永磁電動機的相電流信號從靜止坐標系分別旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子同步坐標系中沿著縱向軸(Id)和正交軸(Iq)的兩個解耦電流分量；得到沿著正交軸的電壓(Vq)；得到沿著縱向軸的電壓(Vd)；將電壓Vq和Vd從轉(zhuǎn)子同步坐標系旋轉(zhuǎn)回靜止坐標系以便產(chǎn)生永磁電動機的端子電壓Va、Vb和Vc。
16.一種用于控制具有三個相的永磁電動機的方法，所述的三個相的每個相分別承載著電流ia、ib和ic，所述的方法包括確定電流ia、ib和ic；以角度-θn旋轉(zhuǎn)ia、ib和ic以產(chǎn)生電流Id和Iq；計算永磁電動機的當前轉(zhuǎn)矩；計算電流旋轉(zhuǎn)角θn+1；計算電壓輸出Vq；計算電壓輸出Vd；以角度θn+i旋轉(zhuǎn)電壓Vq和Vd以產(chǎn)生三個電壓控制信號Va、Vb和Vc；和將電壓控制信號Va、Vb和Vc施加到永磁電動機上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于控制三相永磁電動機的與永磁電動機的速度和轉(zhuǎn)矩的變化有關的端子電壓的系統(tǒng)和方法，其中相電流首先被從靜止坐標系旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子同步坐標系內(nèi)的兩個解耦的電流分量，這使得能夠得到沿著正交軸的電壓和沿著縱向軸的電壓，然后將正交軸和縱向軸電壓從轉(zhuǎn)子同步坐標系旋轉(zhuǎn)回靜止坐標系，以產(chǎn)生永磁電動機的端子電壓。
文檔編號H02P27/04GK1647360SQ03807880
公開日2005年7月27日 申請日期2003年4月2日 優(yōu)先權日2002年4月2日
發(fā)明者H·林 申請人:特伯考爾公司