[發明專利]一種用于平穩控制永磁同步電機低速小轉矩狀態切換的裝置

有效

• 申請號: 201310495409.0
• 申請日: 2013-10-21
• 公開（公告）號: CN103532461A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 陳慧民;陳建明;郭淑英;王征宇;譚淼;凌岳倫;石高峰;易慧斌
• 申請（專利權）人: 南車株洲電力機車研究所有限公司
• 主分類號: H02P21/04
• 分類號: H02P21/04
• 代理公司: 北京聿宏知識產權代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;劉華聯

技術領域

本發明涉及電機控制技術領域，具體而言，涉及一種用于平穩控制永磁同步電機低速小轉矩狀態切換的裝置。

背景技術

電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置。為了在電機內建立進行機電能量轉換所必需的氣隙磁場，可以有兩種方法：一種是在電機繞組內通以電流來產生磁場；另一種是由永磁體來產生磁場。通過永磁體來產生磁場的電機就是永磁同步電機（Permanent?Magnet?Synchronous?Motor，簡稱PMSM）。

隨著永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步電機PMSM以其高效率、高功率因數和高功率密度等優點，正逐漸成為電動汽車傳動系統的主流電機之一。

永磁同步電機PMSM根據轉子形狀的不同，可分為凸極式和隱極式兩種，如圖1a和圖1b所示。電動汽車對傳動系統不僅要求低速時輸出轉矩大，以適應快速啟動、加速、低速爬坡等要求，還要求具有良好的弱磁性能，能夠有較寬的調速范圍，以適應高速運行要求。通常情況下，電動汽車用永磁電機為凸極式結構。

永磁同步電機PMSM的工作原理是，定子的三相繞組中通入三相對稱電流，轉子則由永磁體產生基本恒定的靜止磁場。在定子三相對稱繞組中通入三相交變電流時，將在氣隙中產生旋轉磁場。若轉子磁場的磁極對數與定子磁場的磁極對數相等，轉子磁場因受定子磁場磁拉力作用而隨定子旋轉磁場同步旋轉，即轉子以等同于旋轉磁場的速度、方向旋轉。

在使用空間矢量脈寬調制（Space?Vector?Pulse?Width?Modulation，簡稱為SVPWM）的PMSM控制系統中，由于實際環境中存在系統非線性、電機參數隨負載及溫度變化、速度傳感器安裝誤差、電流采樣誤差等因素，永磁同步電機PMSM在零速或極低速時存在轉子擾動的問題，為了解決轉子擾動問題，現有技術方案通常為電機處于零速或極低速時設定一個獨立的狀態（低速小轉矩狀態），一旦判定電機處于該狀態就在控制系統中啟用一個脈沖及指令封鎖單元來消除此擾動。

但是，這種方案會帶來一個問題，即電機必然存在一個由低速小轉矩狀態到脫離該低速小轉矩狀態的切換，這個切換點會引起瞬間的電流尖峰，電流尖峰的大小具有一定的隨機性，受到切換點時上述因素的影響，如果電流尖峰過大，會引起電機在切換點比較明顯的抖動。

為此，需要提供一套解決方案以有效消除狀態切換時的電流尖峰，達到永磁同步電機全過程的平穩控制。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提出了一種用于控制永磁同步電機低速小轉矩下狀態平穩切換的裝置，所述裝置包括：

檢測單元，其與電機連接，用于實時檢測電機運行時的電樞三相電流和轉速；

電流PID調節單元，其基于所檢測的電樞三相電流和由目標轉速和/或目標轉矩計算的目標電流采用PID調節得到控制電機運行的控制電壓，其中，目標電流包括目標轉矩電流和目標勵磁電流；

驅動單元，其根據所述控制電壓經過逆變輸出來驅動所述電機運轉；其中，所述裝置還包括：

脈沖及指令封鎖單元，其根據所述目標轉速和/或目標轉矩以及所檢測的電機實際速度判斷電機是否處于低速小轉矩狀態，如果是，則輸出用以封鎖所述驅動單元的電壓輸出的信號；以及

PID封鎖單元，其根據所述目標轉速和/或目標轉矩以及所檢測的電機實際速度判斷電機是否處于低速小轉矩控制狀態，如果是，則輸出用以封鎖所述PID調節單元的信號。

根據本發明的一個實施例，所述裝置還包括電流變換單元，其設在所述電流PID調節單元與所述檢測單元之間，以基于Clark－Park變換將所檢測的電樞三相電流轉換為電機交直軸電流并計算對應的交直軸電壓，其中，所述電流PID調節單元包括交軸電流PID調節單元和直軸電流PID調節單元，交軸電流對應于轉矩電流，直軸電流對應于勵磁電流。

根據本發明的一個實施例，所述裝置還包括目標轉矩電流計算單元和勵磁電流計算單元，其用于根據目標轉速和/或目標轉矩分別計算出目標轉矩電流和目標勵磁電流。

根據本發明的一個實施例，所述脈沖及指令封鎖單元在低速小轉矩控制狀態下還向所述目標轉矩電流計算單元和所述勵磁電流計算單元發出封鎖信號，以使其不輸出計算的目標轉矩電流和目標勵磁電流值。

根據本發明的一個實施例，所述裝置還包括前饋電壓計算單元，其與所述目標轉矩電流計算單元和所述勵磁電流計算單元相連，用于基于所述目標轉矩電流和所述勵磁電流以及電機轉速計算產生所述控制電壓的前饋電壓分量，其中，所述控制電壓為合成的矢量控制電壓。