用于控制三相AC电机的方法和控制电路技术

本申请涉及通过电压矢量角度偏转弱磁AC电机控制。提供一种用于控制三相AC电机的方法包括：基于参考操作点与实际操作点之间的差生成操作点误差信号。第一控制方法用于确定第一电机控制矢量，从而确定第一控制矢量的幅度值和角度值。第二控制方法用于根据操作点误差信号确定第二控制矢量，从而第二控制矢量是具有恒定幅度的电压矢量。脉宽调制电压被施加给AC电机。当AC电机在电压输出饱和之下操作时，脉宽调制电压取决于第一电机控制矢量。当AC电机在电压输出饱和处操作时，脉宽调制电压取决于第二电机控制矢量。

【技术实现步骤摘要】
通过电压矢量角度偏转弱磁AC电机控制
本专利技术涉及电机控制，更具体地，涉及三相同步AC电机的弱磁(fluxweakening)控制。
技术介绍
内置式永磁同步电机(IPMSM)在各种应用中得到广泛的使用，包括汽车应用，诸如电动车牵引电机、48V系统中的微混合动力皮带驱动发电机(BSG)和电动助力转向。IPMSM提供了许多吸引人的特性，包括高功率密度、高效率、磁阻转矩可用性和宽速度操作范围。IPMSM具有在任何控制方案中必须考虑的特有的基础速度。基础速度是指IPMSM的转子不能通过向定子绕组提供附加电流而加速的速度。用于IPMSM的许多应用要求电机在其基础速度之外进行操作。这可以使用称为弱磁的技术。弱磁包括降低永磁磁链，即转子磁场。尽管这允许转子快速地旋转，但转子磁场的这种减小降低了由电机生成的扭矩的量。即，随着IPMSM加速超过其基础速度，由电机生成的扭矩的量减少。基础速度之下的操作区域统称为恒定扭矩区域，而基础速度之上的区域统称为恒定功率区域。一种已知的弱磁技术包括电压反馈控制。参见Kim等人的“SpeedControlofPermanentMagnetSynchronousMotorDrivefortheFluxWeakeningOperation”(IEEETransactions，vol.33，no.1，pp.43、48,1997年2月)。该技术的一个缺陷是：其要求相对复杂的计算步骤，而这会消耗大量的计算资源。此外，根据该技术，不能完全利用电源的最大DC电压。相反，该技术要求最大DC电压与用户定义的电压参考输出之间的裕度，如此要求以使电流控制可以在电机进入饱和区域之前生效。因此，电机不能使用电压反馈控制实现其最大速度。另一已知的弱磁技术涉及电流矢量控制技术，参见JacksonWai、T.M.Jahns的“ANewControlTechniqueforAchievingWideConstantPowerSpeedOperationwithanInteriorPMAlternatorMachine”(IEEEIASAnn会议，vol.2，pp.807-814，2001年)。根据该技术，在弱磁期间，控制电流矢量角度。该技术的一个缺陷在于，仅可以接近但实际永远达不到电流矢量轨迹。这是因为电流调节器在电压饱和之后失去控制。
技术实现思路
公开了一种用于控制三相AC电机的方法。根据一个实施例，该方法包括：基于AC电机的参考操作点与AC电机的实际操作点之间的差生成操作点误差信号。第一控制方法用于根据操作点误差信号来确定第一三相电机控制矢量，从而确定第一三相电机控制矢量的幅度值和角度值。第二控制方法用于根据操作点误差信号确定第二三相电机控制矢量，从而第二三相电机控制矢量是具有恒定幅度的电压矢量，并且仅控制第二三相电机控制矢量的角度值。脉宽调制电压被施加给AC电机。当AC电机在电压输出饱和之下进行操作时，脉宽调制电压取决于第一三相电机控制矢量。当AC电机在电压输出饱和处进行操作时，脉宽调制电压取决于第二三相电机控制矢量。公开了一种用于控制三相AC电机的控制电路。根据一个实施例，控制电路被配置为基于AC电机的参考操作点与AC电机的实际操作点之间的差生成操作点误差信号。控制电路进一步被配置为使用第一控制方法，根据参考点误差信号确定第一三相电机控制矢量，从而确定第一三相电机控制矢量的幅度值和角度值。控制电路进一步被配置为：使用第二控制方法，根据操作点误差信号确定第二三相电机控制矢量，从而第二三相电机控制矢量是具有恒定幅度的电压矢量，并且仅控制第二三相电机控制矢量的角度值。控制电路进一步被配置为向AC电机施加脉宽调制电压。控制电路被配置为使得：当AC电机在电压输出饱和之下进行操作时，脉宽调制电压取决于第一三相电机控制矢量，而当AC电机在电压输出饱和处进行操作时，脉宽调制电压取决于第二三相电机控制矢量。附图说明附图中的元件相互之间不需要按比例绘制。类似的参考标号表示对应的类似部分。各个所示实施例的特征可以组合，除非它们相互排斥。在附图中示出且在说明书中详细描述实施例。图1示出了根据一个实施例的用于控制三相AC电机的转子速度的速度控制电路的框图。图2示出了根据实施例的用于不利用电压矢量角度控制的速度控制器的速度参考信号、实际转子速度和实际电机扭矩的波形。图3示出了根据实施例的用于利用电压矢量角度控制的速度控制器的速度参考信号、实际转子速度和实际电机扭矩的波形。图4(包括图4A和图4B)示出了根据实施例的用于利用电压矢量角度控制的速度控制器的d-q轴电流、d-q轴电压、电压饱和选择信号和电压控制矢量角度的波形。图5示出了根据实施例的用于控制三相AC电机的转子速度的速度控制器的框图。图6示出了根据实施例的用于控制三相AC电机的输出扭矩的扭矩控制器的框图。图7示出了根据实施例的用于不利用电压矢量角度控制的扭矩控制器的电机扭矩参考、实际转子速度和实际电机扭矩的波形。图8示出了根据实施例的用于利用电压矢量角度控制的扭矩控制器的电机扭矩参考、实际转子速度和实际电机扭矩的波形。图9示出了根据实施例的用于利用电压矢量角度控制的扭矩控制器的电机扭矩参考、实际转子速度和实际电机扭矩的波形。具体实施方式根据本文描述的实施例，公开了用于控制三相AC电机(例如，IPMSM)和对应控制器的方法。专利技术人将展示当IPMSM在其基础速度以上进行操作时，d-q轴电压控制矢量值饱和。结果，通过控制技术可以在饱和区域中控制IPMSM的速度或扭矩，从而仅调整d-q轴电压控制矢量的矢量角度，并且d-q轴电压控制矢量的幅度保持恒定。由于DC电源电压的全利用，该技术相对于已知控制技术提供了多种优势，诸如较小的复杂度和计算资源以及饱和处较高的电机速度。根据一个实施例，根据电机是在饱和区域以下还是饱和区域中进行操作，通过两个不同的控制方案来控制三相AC电机。当电机在饱和以下时，采用第一控制技术。第一控制技术可以是各种控制技术中的任一种。根据一个实施例，第一控制技术是前馈矢量定向控制技术，其中，使用查找表来确定电流控制矢量的幅度和角度。一旦电机速度达到基础速度并且电机达到操作的饱和区域，就通过控制器实施不同于第一控制方法的第二控制技术。根据第二控制技术，生成具有恒定幅度的d-q轴电压控制矢量。通过第二控制技术仅控制d-q轴电压控制矢量的角度。使用参考命令信号(例如，通过比例积分控制)来进行该角度控制。控制器被配置为响应于来自电机饱和检测器的选择信号在第一控制技术和第二控制技术之间切换。这允许电机在第一控制技术(在恒定扭矩区域中实现最大效率)和第二控制技术(利用最小处理资源来在恒定功率区域中实现最大速度)之间无缝地切换。参照图1，示出了用于控制电机102的转子速度的控制器100的框图。控制器100可以通过各种不同的硬件结构来实施。通常，控制器100可以通过被配置为实施所述技术的一个或多个集成电路(IC)来具体化。即，控制器100可以包括多个电路，它们被示意性地要求符合所述要求。根据一个实施例，控制器100在单个微控制器中实施，该控制器被编程以实施框图的所有功能。电机102是可通过三相时变电压控制的三相同步AC电机。根据一个实施例，电机102是内置式永磁同步电机(IPMS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制三相AC电机的方法，包括：基于AC电机的参考操作点与所述AC电机的实际操作点之间的差，生成操作点误差信号；使用第一控制方法来根据所述操作点误差信号确定第一三相电机控制矢量，从而确定所述第一三相电机控制矢量的幅度值和角度值，使用第二控制方法来根据所述操作点误差信号确定第二三相电机控制矢量，从而所述第二三相电机控制矢量是具有恒定幅度的电压矢量，并且仅控制所述第二三相电机控制矢量的角度值；以及将脉宽调制电压施加给所述AC电机，其中，当所述AC电机在电压输出饱和之下操作时，所述脉宽调制电压取决于所述第一三相电机控制矢量，并且其中，当所述AC电机在所述电压输出饱和处操作时，所述脉宽调制电压取决于所述第二三相电机控制矢量。

【技术特征摘要】
2015.12.24 US 14/998,3001.一种用于控制三相AC电机的方法，包括：基于AC电机的参考操作点与所述AC电机的实际操作点之间的差，生成操作点误差信号；使用第一控制方法来根据所述操作点误差信号确定第一三相电机控制矢量，从而确定所述第一三相电机控制矢量的幅度值和角度值，使用第二控制方法来根据所述操作点误差信号确定第二三相电机控制矢量，从而所述第二三相电机控制矢量是具有恒定幅度的电压矢量，并且仅控制所述第二三相电机控制矢量的角度值；以及将脉宽调制电压施加给所述AC电机，其中，当所述AC电机在电压输出饱和之下操作时，所述脉宽调制电压取决于所述第一三相电机控制矢量，并且其中，当所述AC电机在所述电压输出饱和处操作时，所述脉宽调制电压取决于所述第二三相电机控制矢量。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二控制方法包括：对所述操作点误差信号执行比例积分控制，以计算所述第二三相电机控制矢量的角度值。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二控制方法包括：将所述第二三相电机电流控制矢量保持在恒定值其中，VDC是所述AC电机的最大DC电压。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一控制方法包括前馈弱磁控制方法。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述前馈弱磁控制方法包括：当所述AC电机在其基础速度之下操作时，根据最大扭矩每安培曲线生成第一电机控制电流矢量；当所述AC电机达到其基础速度时，根据查找表生成第二电机控制电流矢量，其中所述查找表中的值将弱磁分量结合到所述电机控制电流矢量中；以及对所述第一电机控制电流矢量或所述第二电机控制电流矢量执行比例积分控制，以生成用于所述AC电机的第一电压控制矢量。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述操作点误差信号是电机速度误差信号，其中所述AC电机的参考操作点是所述AC电机的参考速度，其中所述AC电机的实际操作点是所述AC电机的实际速度，所述方法还包括：对所述电机速度误差信号执行比例积分控制以生成参考扭矩值；以及使用所述参考扭矩值来根据所述最大扭矩每安培曲线生成所述第一电机控制电流矢量。7.根据权利要求5所述的方法，其中所述操作点误差信号是电机扭矩误差信号，其中所述AC电机的参考操作点是所述AC电机的参考扭矩，其中所述AC电机的实际操作点是所述AC电机的实际扭矩，所述方法还包括：测量所述AC电机的操作速度；以及使用所述操作速度来根据所述最大扭矩每安培曲线生成所述第一电机控制电流矢量。8.根据权利要求3所述的方法，还包括：在变化速度下操作所述AC电机，使得所述AC电机在第一转换中从电压输出饱和之下转换为电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱伟喆，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE