專利名稱：永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)與矢量控制相結(jié)合的可控弱磁技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明可應(yīng)用于電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的牽引車輛，采用稀土永磁同步電機(jī) 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn)基速以上寬范圍恒功率弱磁擴(kuò)速。
背景技術(shù)：
稀土永磁電機(jī)由于釆用永磁體勵(lì)磁而使得其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、 體積小、重量輕、損耗小、效率高、電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣 等顯著優(yōu)點(diǎn)。然而，永磁電機(jī)釆用永磁體勵(lì)磁，也造成調(diào)節(jié)勵(lì)磁的困 難，難以實(shí)現(xiàn)在基速以上恒功率弱磁擴(kuò)速運(yùn)行。
和電勵(lì)磁同步電機(jī)不同，稀土永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁固定不變， 永磁場產(chǎn)生的反電勢和速度成正比，當(dāng)電機(jī)端電壓隨轉(zhuǎn)速升高到逆變 器能夠輸出的最大電壓之后，繼續(xù)升高電機(jī)的速度，稀土永磁同步電 機(jī)將無法再做恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而必須釆取下述措施之一 (或兼而用之)， 以維持電樞繞組的電勢平衡，從而獲得一個(gè)新的調(diào)速范圍。
措施一對(duì)于可以進(jìn)行電流相位控制的稀土永磁同步電機(jī)，使直 軸電流/,-o，并起去磁作用，以消弱永磁場(即所謂弱磁)，且隨著 速度的升高，起去磁作用的/,分量要不斷增加，電勢平衡才能繼續(xù)維 持。這種弱磁能力的大小與電樞繞組的直軸電感、成正比。這種措施 只是考慮用電樞反映直軸分量對(duì)永磁磁極直接去磁方法，這對(duì)于稀土 永磁材料用得多的磁極不容易達(dá)到弱磁效果，而對(duì)于稀土永磁材料用 得少的磁極會(huì)造成不可恢復(fù)的退磁。
措施二使電樞電流的交軸分量/,逐漸減小從而減小其電樞反應(yīng)
的助磁作用及氣隙合成磁場(這是一種等效弱磁)。這種弱磁能力的大 小與交軸電感、成正比。盡管這一等效弱磁措施能夠擴(kuò)展電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩
調(diào)速范圍之外的調(diào)速范圍(即弱磁范圍)，但它以犧牲恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍 和輸出轉(zhuǎn)矩為代價(jià)。因此，其能力的大小對(duì)電機(jī)的總調(diào)速范圍沒有多 大影響。相反，隨著這種能力的增大(A的增大)，恒轉(zhuǎn)矩范圍變窄，
弱磁范圍變寬，電機(jī)總的調(diào)速范圍會(huì)有所減小，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性 越來越軟。
在稀土永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，釆取通常的弱磁擴(kuò)速措施，常 常達(dá)不到預(yù)期的擴(kuò)速效果，主要表現(xiàn)為擴(kuò)速范圍小，無法滿足應(yīng)用要
求；在擴(kuò)速狀態(tài)下，輸出功率隨速度增加而迅速下降，導(dǎo)致力矩不足。
永磁電機(jī)最簡單的弱磁辦法是利用電樞反應(yīng)削弱勵(lì)磁，即使定子電流
的直軸分量/,<0，其產(chǎn)生的磁場方向與氣隙磁場相反，起去磁作用。 但是，永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣相仿，磁阻很大，相當(dāng)于定轉(zhuǎn)子間有 很大的有效氣隙，利用電樞反應(yīng)弱磁的方法需要較大的定子電流直軸 分量。作為短時(shí)運(yùn)行，這種方法可以接受，長期弱磁工作時(shí)，會(huì)帶來 很大的功率損耗。這是傳統(tǒng)稀土永磁同步電機(jī)的弱磁擴(kuò)速的缺陷所在， 這一缺陷嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明首先對(duì)電機(jī)弱磁時(shí)的轉(zhuǎn)子磁路進(jìn)行特 殊設(shè)計(jì)，并結(jié)合矢量控制技術(shù)，提供一種可實(shí)現(xiàn)寬范圍、恒功率弱磁 擴(kuò)速的稀土永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，適用于各型電動(dòng)車輛的牽引。本發(fā)明的技術(shù)方案是稀土永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)
并設(shè)置分流磁路；在逆變器中釆用空間電壓矢量的控制算法；由霍爾 元件與磁鋼盤組成的位置轉(zhuǎn)速檢測子系統(tǒng)。由上述三部分構(gòu)成稀土永
磁同步電機(jī)弱磁控制系統(tǒng)。其特點(diǎn)包括
1、 將稀土永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極磁路設(shè)計(jì)成特殊結(jié)構(gòu)，使其具有分流 調(diào)磁作用，以此實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。
2、 由數(shù)字信號(hào)處理器、可編程邏輯器件、IGBT、驅(qū)動(dòng)電路、電流 采樣電路組成的逆變控制器，實(shí)現(xiàn)高效快速的電機(jī)控制。
3、 由霍爾盤和磁鋼盤組成簡單、可靠的位置、轉(zhuǎn)速傳感器。 本發(fā)明的有益效果在于基速以下運(yùn)行時(shí)，在控制上使/,=:0，獲
得所需的最大電磁轉(zhuǎn)矩。在基速以上運(yùn)行時(shí)，控制使/,-0，同時(shí)端電 壓不變，在永磁電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生去磁電流，由于轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)， 使氣隙磁場大為減弱，產(chǎn)生數(shù)倍于基速的電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂?,的同時(shí)， 減小/,，使得相電流在最大值范圍內(nèi)，這樣使電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速同時(shí)受 到控制軟件的控制。這項(xiàng)技術(shù)分別運(yùn)用于15kw、 37kw的稀土永磁同步 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了恒功率弱磁，達(dá)到3倍甚至更高的弱磁擴(kuò)速 倍數(shù)。拓展了稀土永磁電機(jī)在車輛牽引中的應(yīng)用范圍，在軍車、礦車、 輕軌、地鐵等軍工、民用領(lǐng)域都具有重要的實(shí)用價(jià)值。


—圖l為本發(fā)明中電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片圖 圖2為本發(fā)明中電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼安裝圖
圖3為本發(fā)明中的系統(tǒng)硬件框圖4為本發(fā)明中的系統(tǒng)控制框圖5為本發(fā)明中的系統(tǒng)主程序流程圖6為本發(fā)明中的定時(shí)器中斷程序流程圖7為本發(fā)明中的捕獲中斷程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)現(xiàn)寬范圍弱磁擴(kuò)速的稀土永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子磁路 結(jié)構(gòu)經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的多極稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)和位置轉(zhuǎn)速傳感器以及實(shí) 施空間電壓矢量控制的控制器。
1、稀土永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)如圖l所示。為降低鐵損，轉(zhuǎn)子采用0.5mm冷軋硅鋼 片，其中序1為M誦x85腿的矩形永磁體安裝槽，序2為疊片用緊固 孔，序3為隔磁槽，序4為軸孔。
稀土永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。稀土永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子 由若干片轉(zhuǎn)子沖片疊壓、由16根雙頭螺栓緊固而成。序6為軸向安裝 的14iMix85mmxl70mm矩形釹鐵硼永磁體，8個(gè)永磁體形成4對(duì)極內(nèi)
置式轉(zhuǎn)子永磁結(jié)構(gòu)。且能根據(jù)需要設(shè)計(jì)成不同的氣隙磁場形式，甚至 可釆用聚磁結(jié)構(gòu)提高氣隙的有效磁通。序5及序3處可產(chǎn)生磁路分流 作用。d、 q軸如圖示，由于具有凸極效應(yīng)，這時(shí)d軸和q軸磁路的磁 導(dǎo)不再相等，而q軸磁路要穿過永磁體才能形成回路，q軸的等效氣 隙要大于d軸的等效氣隙，很顯然這時(shí)有d軸磁導(dǎo)大于q軸磁導(dǎo)。因 此可以實(shí)現(xiàn)恒功率弱磁控制，在此基礎(chǔ)上加之分流磁路作用，擴(kuò)大了 速度范圍，提高了最高工作轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了稀土永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子弱磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的稀土永磁同步電機(jī)在永磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了磁阻 轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高稀土永磁同步電機(jī)的過載能力和功 率密度，而且設(shè)計(jì)了分流磁路易于弱磁調(diào)速，擴(kuò)大恒功率運(yùn)行范圍， 擴(kuò)展了稀土永磁同步電機(jī)的高速運(yùn)行范圍，實(shí)現(xiàn)基速以下恒轉(zhuǎn)矩輸出， 基速以上恒功率輸出，特別適合用作電動(dòng)車輛高效、高密度、寬調(diào)速 的驅(qū)動(dòng)裝置。
2 、稀土永磁同步電機(jī)釆用空間電壓矢量(SVPWM)技術(shù)進(jìn)行控制，
控制器包括主電路，控制電路，鍵盤與顯示單元。
控制器硬件如圖3所示，主電路由IGBT模塊構(gòu)成三相橋逆變回路， 完成電源的變換?？刂齐娐凡捎萌珨?shù)字控制技術(shù)，以DSP為控制核心， 充分發(fā)揮其運(yùn)算速度快，信號(hào)處理能力強(qiáng)的優(yōu)勢，配以CPLD可編程器 件完成數(shù)字邏輯的變換，大大簡化了外圍電路，提高了系統(tǒng)可靠性， 并方便了算法的實(shí)現(xiàn)，DSP的外圍電路還包括三相電流釆樣電路，位 置、速度信號(hào)釆樣電路以及IGBT驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等，分述如下
(1) DSP處理器內(nèi)核系統(tǒng)中釆用的數(shù)字信號(hào)處理器是為電機(jī)控
制專門設(shè)計(jì)的專用DSP，集成度高，具有豐富的外設(shè)，運(yùn)算速度快，
這些特點(diǎn)便于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的電機(jī)控制算法，如坐標(biāo)變換、空間電壓
矢量算法，提高了電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性。
(2)大規(guī)模可編程邏輯器件(CPLD):作為DSP與外圍電路的接
口，可以在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)各種組合邏輯和時(shí)序電路，簡化了整個(gè)電路的設(shè)
計(jì)，提高了可靠性，改善了控制電路的電磁兼容性，其現(xiàn)場可編程的
特點(diǎn)還有助于系統(tǒng)的調(diào)試和完善。
(3) 三相電流采樣電路在SVPWM的控制中，電機(jī)相電流的釆
樣是關(guān)鍵。本系統(tǒng)用霍爾電流傳感器實(shí)時(shí)測量電流，被測電流信號(hào)經(jīng) 過電平極性變換、二階低通濾波器，進(jìn)入DSP芯片的AD轉(zhuǎn)換輸入端， 由DSP的ADC模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。
(4) 位置、速度信號(hào)采樣電路由傳感器發(fā)出的位置信號(hào)經(jīng)光 耦隔離后被DSP釆集，共有U、 V、 W、 A、 B5個(gè)信號(hào)，其中U、 V、 W 為電機(jī)的絕對(duì)位置信號(hào)，用于電機(jī)的啟動(dòng)，A、 B信號(hào)為電機(jī)的相對(duì)位 置信號(hào)，用于計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于起始零點(diǎn)的角度。DSP內(nèi)部集成了 正交編碼電路，對(duì)A、 B信號(hào)進(jìn)行倍頻處理，再計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度 和速度。
(5) IGBT驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路DSP根據(jù)釆集的位置、電流信號(hào)， 經(jīng)過SVPWM算法后，發(fā)出PWM驅(qū)動(dòng)、控制信號(hào)，控制相應(yīng)的IGBT的導(dǎo) 通與關(guān)斷，DSP同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)視保護(hù)信號(hào)，出現(xiàn)異常情況，立即封鎖驅(qū) 動(dòng)信號(hào)輸出，保護(hù)控制器和電機(jī)。
稀土永磁同步電機(jī)空間電壓矢量控制框圖
由圖4可知，控制系統(tǒng)對(duì)稀土永磁同步電機(jī)實(shí)施電流、轉(zhuǎn)速的雙 閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為4、 /,電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)。
電流環(huán)包含以下模塊
1) Clark變換、Park變換模塊。被采樣的三相電流經(jīng)Clark變 換后，電流矢量轉(zhuǎn)換到了靜止直角坐標(biāo)上，再經(jīng)Park變換，電流矢量
轉(zhuǎn)換到了旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系中，得到了反饋的4、 /,。
2) Park逆變換模塊。給定的/,、 /,與反饋的A、 /9進(jìn)行比較，差
值經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后，輸出的控制量再經(jīng)過Park逆變換轉(zhuǎn)換到靜止坐標(biāo) 系中。
3)空間電壓矢量發(fā)生器模塊?？刂屏拷?jīng)Park逆變換后，輸入空 間電壓矢量發(fā)生器，經(jīng)過SVPWM算法，得出開關(guān)管的導(dǎo)通及相應(yīng)的導(dǎo) 通時(shí)間，并發(fā)出控制信號(hào)，在電機(jī)中生成一個(gè)要求的定子電流矢量。
在速度環(huán)中進(jìn)行基速以下速度的閉環(huán)控制，并完成基速以上時(shí)弱 磁擴(kuò)速控制和基速點(diǎn)控制模式的轉(zhuǎn)換。
根據(jù)前述控制系統(tǒng)框圖，控制軟件按功能模塊進(jìn)行規(guī)劃，包括主 程序模塊， 一個(gè)定時(shí)器中斷模塊， 一個(gè)捕獲中斷模塊，如圖5、 6、 7 所示。
在主程序中完成系統(tǒng)及外設(shè)的初始化，等待中斷。捕獲中斷中完 成位置歸零，每經(jīng)過一個(gè)U信號(hào)，將位置角度清零，用于清除位置檢
測時(shí)的累積誤差。其余任務(wù)全部放在定時(shí)器中斷中完成，中斷周期為 100us，即每100us采樣一次電流和角度，計(jì)算一次控制量，發(fā)出一個(gè) 新的電流空間矢量4。每50ms控制一次速度。
在基速以下時(shí)，給定/,=0，基速以上時(shí)啟動(dòng)弱磁控制，使L-O,
并進(jìn)行速度閉環(huán)控制。
權(quán)利要求
1. 永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)與矢量控制相結(jié)合的可控弱磁技術(shù)，在特殊設(shè)計(jì)的磁路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用矢量控制算法，使直軸電流Id不等于0，易起去磁作用。削弱永磁場(即所謂弱磁)，隨著速度的升高，起去磁作用的Id分量不斷增加，削弱永磁場(即所謂弱磁)，控制反電勢的升高，以維持電機(jī)電勢平衡方程。
2、 根據(jù)權(quán)利l所述的永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)與矢量控制相結(jié)合的可控 弱磁技術(shù)，其特征是稀土永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用具有凸極效應(yīng)， 并且d軸(直軸)磁路的磁導(dǎo)大于q軸(交軸)磁導(dǎo)的永磁體內(nèi)置式 多極結(jié)構(gòu)并設(shè)置分流磁路；在控制器中采用空間電壓矢量的控制算法，分別控制直軸電流/d和交軸電流/,;位置及轉(zhuǎn)速檢測子系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權(quán)利2所述的永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)與矢量控制相結(jié)合的可控弱磁技術(shù)，其特征是內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的稀土永磁同步電機(jī)在永磁轉(zhuǎn)矩的 基礎(chǔ)上迭加了磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高稀土永磁同步電 機(jī)的過載能力和功率密度，而且設(shè)計(jì)了分流磁路易于弱磁調(diào)速，擴(kuò)大 恒功率運(yùn)行范圍，擴(kuò)展了稀土永磁同步電機(jī)的高速運(yùn)行范圍，實(shí)現(xiàn)基 速以下恒轉(zhuǎn)矩輸出，基速以上恒功率輸出，適合用作電動(dòng)車輛高效、 寬調(diào)速范圍的驅(qū)動(dòng)裝置。
全文摘要
永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)與矢量控制相結(jié)合的可控弱磁技術(shù)。系統(tǒng)中稀土永磁同步電機(jī)的多極特殊轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)能起調(diào)磁作用，控制器利用軟件控制算法進(jìn)行矢量控制就能實(shí)現(xiàn)可控弱磁技術(shù)。電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極磁路設(shè)計(jì)成具有凸極效應(yīng)，并且d軸磁路的磁導(dǎo)大于q軸磁路磁導(dǎo)的永磁體內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，并設(shè)置分流磁路，易于弱磁調(diào)速；控制器則利用軟件控制算法進(jìn)行空間電壓矢量控制，對(duì)直軸電流I_d和交軸電流I_q分別控制，實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)大范圍弱磁擴(kuò)速。此系統(tǒng)在電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的牽引車輛上有較大實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H02P21/06GK101207362SQ20061013040
公開日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2006年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日
發(fā)明者季小尹, 曲國杰, 楊德榮, 陳偉農(nóng) 申請(qǐng)人:天津航天鑫茂稀土機(jī)電科技有限公司