Способ управления синхронной электрической машиной

Группа изобретений относится к устройству для управления синхронным двигателем. Способ управления синхронной трехфазной электрической машиной, содержащей статор и ротор, заключается в том, что измеряют токи первой и второй фаз упомянутого статора, измеряют угловое положение ротора, вычисляют упомянутые токи, измеренные в системе (d, q) отсчета ротора, вычисляют погрешность автоматического управления, рекурсивно вычисляют напряжения компенсации гармоник тока, вычисляют управляющие напряжения для электрической машины и подают управляющие напряжения на электрическую машину. Причем вычисление управляющих напряжений выполняют в упомянутой системе (d, q) отсчета ротора рекурсивно и в виде зависимости от значения периода обновления управления, значения напряжения (V_DC) постоянного тока и электрической угловой скорости ротора. Также заявлены устройство управления синхронной трехфазной электрической машиной, электрическая система, содержащая синхронную электрическую машину и устройство управления, и автотранспортное средство, содержащее электрическую систему. Технический результат заключается в обеспечении устранения статической погрешности, хорошей производительности в переходном режиме и эффективной компенсации эффектов противоэлектродвижущей силы. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области управления электрическими машинами.

Более конкретно, изобретение относится к способу управления синхронной электрической машиной.

Синхронные электрические машины хорошо известны в автомобильной отрасли, а также в широком спектре других промышленных применений, включая сектор возобновляемой энергетики, железнодорожный транспорт и т.д.

Синхронная электрическая машина содержит неподвижную часть, называемую статором, и подвижную часть, называемую ротором. Статор содержит три обмотки, которые смещены друг относительно друга на 120° и на которые подают переменный ток.

Ротор может содержать либо обмотку, на которую подают постоянный ток, в случае синхронных электрических машин с фазным ротором (известных как WRSM), либо постоянные магниты (в случае синхронных машин с постоянными магнитами или PMSM), которые приводятся во вращение с помощью электрического поля, генерируемого обмоткой статора.

Электромагнитный крутящий момент, подаваемый электрической машиной, обуславливается величиной и ориентацией токов относительно оси ротора.

Соответственно, заданное значение крутящего момента можно выразить через заданные значения токов (или напряжений) в системе отсчета, связанной с ротором, также называемой системой отсчета ротора.

Из существующего уровня техники известно множество способов управления синхронными машинами, включая способ, описанный в документе FR3012270 на имя заявителя.

Однако эти способы из существующего уровня техники нельзя использовать для обоих типов машин WRSM и PMSM.

Более того, известные способы не позволяют одновременно сочетать устранение статической погрешности, хорошей производительности в переходном режиме и эффективную компенсацию эффектов противоэлектродвижущей силы, адаптируясь при этом к условиям насыщения напряжения и компенсации гармонических компонент токов.

Соответственно, существует потребность в способе управления для синхронной электрической машины, который можно сравнительно просто адаптировать к WRSM и PMSM, в то же время, решая вышеупомянутые проблемы.

Предложен способ управления синхронной трехфазной электрической машиной, содержащей статор и ротор, причем упомянутый способ содержит следующее:

- измеряют токи первой и второй фаз упомянутого статора;

- измеряют угловое положение ротора;

- вычисляют упомянутые токи, измеренные в системе отсчета ротора;

- вычисляют погрешность автоматического управления;

- вычисляют управляющие напряжения для электрической машины; и

- подают упомянутые управляющие напряжения на упомянутую электрическую машину.

Упомянутое вычисление управляющих напряжений выполняют в упомянутой системе отсчета ротора рекурсивно как функцию значения периода для обновления управления, значения напряжения постоянного тока и электрической угловой скорости ротора. Таким образом, можно достичь простого способа управления электрической машиной, который может быть адаптирован к синхронной машине любого типа и который решает вышеупомянутые проблемы, связанные с существующим уровнем техники.

Преимущественно, но не в качестве ограничения, упомянутые измеренные токи вычисляют в системе отсчета ротора посредством преобразования Парка. Соответственно, можно быстро и надежно преобразовать токи, измеренные в системе отсчета ротора.

Преимущественно, но не в качестве ограничения, способ содержит этап измерения тока ротора; а вычисление управляющих напряжений включает в себя вычисление напряжения, которое необходимо приложить к фазному ротору. Соответственно, способ может быть просто адаптирован для работы на машине с фазным ротором.

Преимущественно, но не в качестве ограничения, способ содержит этап рекурсивного вычисления компенсирующих напряжений для гармоник тока. Таким образом, в дополнение ко всем вышеупомянутым преимуществам можно просто компенсировать гармоники тока.

Преимущественно, но не в качестве ограничения, упомянутый этап вычисления управляющих напряжений содержит инициализацию в 0 для целей рекурсии. Соответственно, инициализация этапов расчета управляющих напряжений является сравнительно простой.

Изобретение также относится к устройству управления синхронной трехфазной электрической машиной, содержащей статор и ротор, причем упомянутое устройство содержит:

- компонент для измерения токов первой и второй фаз упомянутого статора;

- компонент для измерения углового положения ротора;

- компонент для измерения тока ротора;

- средство для вычисления упомянутых токов, измеренных в системе отсчета ротора;

- средство для вычисления погрешности автоматического управления;

- средство для вычисления управляющих напряжений для электрической машины; и

- средство для подачи упомянутых управляющих напряжений на упомянутую электрическую машину.

Средство для вычисления управляющих напряжений подходит для выполнения упомянутого вычисления в упомянутой системе отсчета ротора рекурсивно как функции значения периода для обновления управления, значения напряжения постоянного тока и электрической угловой скорости ротора.

Изобретение также относится к электрической системе, содержащей синхронную электрическую машину, имеющую статор и фазный ротор или ротор с постоянными магнитами, электрическую аккумуляторную батарею для питания упомянутой электрической машины, трехфазный инвертор, который способен преобразовывать напряжение постоянного тока электрической аккумуляторной батареи в трехфазные управляющие напряжения для управления синхронной электрической машиной, и устройство управления описанного выше типа.

Изобретение также относится к автотранспортному средству, содержащему электрическую систему описанного выше типа.

Дополнительные признаки и преимущества изобретения вытекают из последующего описания конкретного варианта осуществления изобретения, которое приведено в качестве примера, а не ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 и 2 показано схематическое представление этапов вычисления управляющих напряжений согласно способу в соответствии с первым и вторым вариантами осуществления изобретения для синхронной электрической машины с ротором с постоянными магнитами;

на фиг. 3 показано схематическое представление дополнительного этапа к этапам, представленным на фиг. 1 и 2, для первого варианта осуществления изобретения для управления синхронной электрической машиной с фазным ротором;

на фиг. 4 показана компоновка схемы электрической системы в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

на фиг. 5 показана схема этапов способа в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.

Со ссылкой на фиг. 4 электрическая система содержит синхронную трехфазную электрическую машину 2, трехфазный инвертор 3, принимающий управляющие напряжения статора, и конвертер постоянного тока в постоянный ток (DC-DC), также описанный как преобразователь, который может принимать управляющее напряжение ротора, которое подают на ротор.

Посредством ввода трехфазный инвертор 3 получает напряжение постоянного тока V_DC от электрической аккумуляторной батареи 5, и им управляет управляющее устройство 4 для выполнения способа управления электрической машиной.

Задача способа управления в соответствии с изобретением со ссылкой на фиг. 1-5 состоит в том, чтобы управлять инвертором 3 таким образом, чтобы он генерировал управляющие напряжения для подачи на статор и ротор (на ротор, если электрическая машина 2 представляет собой машину с фазным ротором) электрической машины 2.

Следовательно, устройство управления пригодно для передачи на инвертор управляющих напряжений, которые требуется подавать на электрическую машину 2; в этом случае действие инвертора 3 путем коммутации его силовых переключателей генерирует необходимые управляющие напряжения из напряжения V_DC постоянного тока электрической батареи.

Инвертором 3 управляют независимо, чтобы генерировать управляющие напряжения для электрической машины из напряжения V_DC постоянного тока, как того требует способ управления в соответствии с изобретением. Кроме того, специалистам в данной области техники известны различные технологии управления инвертором, которые не являются объектом изобретения, такие как технологии "широтно-импульсной модуляции", также известные под английским сокращением "PWM".

Устройство 4 управления в этом варианте осуществления изобретения представляет собой микроконтроллер или микропроцессор. Кроме того, устройство 4 управления выполняет способ в соответствии с собственной частотой синхроимпульсов и выполняет этапы способа дискретным и повторяющимся образом.

Устройство 4 управления также содержит оперативную память, которая позволяет запоминать результаты вычислений и измерений для способа, выполненного в предыдущие моменты времени k-1, k-2 и т.д., чтобы иметь возможность выполнить его в следующий момент времени k. На практике, поскольку способ в соответствии с изобретением имеет рекурсивный характер, необходимо иметь возможность доступа к результатам выполнения способа в предыдущие моменты времени.

Способ управления электрической машиной, выполняемый устройством 4 управления, содержит первый этап 51 измерения токов первой и второй фаз статора.

В этом случае измерение 51 фазовых токов выполняют с помощью измерительных компонентов, таких как амперметры, установленных последовательно в первых двух фазах между инвертором 3 и электрической машиной 2.

В способе также выполняют этап 52 измерения положения ротора, которое можно измерить 52 с помощью датчика положения, оптического датчика, индуктивного датчика или любого другого средства, известного специалисту в данной области техники.

В первом варианте осуществления изобретения электрическая машина содержит фазный ротор, так что выполняют дополнительное измерение 54 тока ротора аналогично измерению первых двух фаз статора.

Токи в первых двух фазах статора, которые более просто будут описаны здесь как токи статора, преобразуют затем в систему отсчета (d, q), связанную с ротором, также описанную как система отсчета ротора.

Для преобразования токов статора, измеренных в момент времени k в системе отсчета ротора, в этом варианте осуществления используют преобразование Парка.

Таким образом, на основе измерения 52 двух токов статора и и измерения угла θ ротора вычисляют 53 токи путем применения преобразования Парка:

- где - вектор токов статора, измеренных в момент времени k в системе (d, q) отсчета Парка, связанной с ротором;

- - электрический угол ротора в момент времени k;

- - токи статора, измеренные в момент времени k на первых двух фазах A и B.

Токи затем фильтруют с использованием фильтра нижних частот первого порядка, имеющего соответствующую полосу пропускания, обычным для специалиста в данной области техники способом, чтобы получить соответственно.

После этого вычисляют погрешность 55 автоматического управления в момент времени k, так что:

где - погрешности автоматического управления токами статора в системе (d, q) отсчета ротора;

- погрешность автоматического управления током ротора (обозначенная через f), которая по определению уже будет присутствовать в системе отсчета ротора;

являются необходимыми токами для генерации крутящего момента электрической машины; и

- ток ротора, измеренный в момент времени k.

После этого выполняют вычисление 56 двух компенсирующих напряжений которые позволят рекурсивно компенсировать гармоники тока с инициализацией в 0:

После этого вычисление 57 управляющих напряжений выполняют рекурсивно с инициализацией в 0.

Значения управляющих напряжений вычисляют в соответствии со следующими уравнениями:

где

где:

- период обновления для управления;

- напряжение электрической аккумуляторной батареи;

- электрическая угловая скорость ротора в рад/с в момент времени k; и

- константы параметризации для системы управления, которые может определить специалист в данной области. Управляющие напряжения v_d, v_q, вычисленные в системе отсчета ротора, естественно передают обратно в трехфазную систему, связанную со статором, перед тем как их передают посредством заданных команд в инвертор и подают на электрическую машину.

В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения электрическая машина представляет собой синхронную электрическую машину с постоянными магнитами (PMSM). Соответственно, в этой машине нет тока ротора.

Изобретение, описанное со ссылкой на первый вариант осуществления, может быть применено к этой машине просто путем исключения вычислений, относящихся к токам ротора, а именно уравнений (5), (6), (7), (10) и (15).

1. Способ (50) управления синхронной трехфазной электрической машиной, содержащей статор и ротор, характеризующийся тем, что измеряют (51) токи первой и второй фаз упомянутого статора; измеряют (52) угловое положение ротора; вычисляют (53) упомянутые токи , измеренные в системе (d, q) отсчета ротора; вычисляют (55) погрешность автоматического управления; вычисляют (57) управляющие напряжения для электрической машины и подают упомянутые управляющие напряжения на упомянутую электрическую машину; причем упомянутое вычисление (57) управляющих напряжений выполняют в упомянутой системе (d, q) отсчета ротора рекурсивно и в виде зависимости от значения периода обновления управления, значения напряжения (V_DC) постоянного тока и электрической угловой скорости ротора, при этом упомянутый способ содержит этап рекурсивного вычисления (56) напряжений компенсации гармоник тока.

2. Способ (50) по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые измеренные токи вычисляют в системе (d, q) отсчета ротора посредством преобразования Парка.

3. Способ (50) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанная электрическая машина является электрической машиной с фазным ротором, при этом способ содержит этап (54) измерения тока ротора, а вычисление управляющих напряжений включает в себя вычисление напряжения которое прикладывается к фазному ротору.

4. Способ (50) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что упомянутый этап вычисления (57) управляющих напряжений содержит инициализацию в 0 для целей рекурсии.

5. Устройство (4) управления синхронной трехфазной электрической машиной (2) со статором и ротором, содержащее

компонент для измерения токов первой и второй фаз упомянутого статора;

компонент для измерения углового положения ротора;

компонент для измерения тока ротора;

средство для вычисления упомянутых токов, измеренных в системе отсчета ротора;

средство для вычисления погрешности автоматического управления;

средство для вычисления управляющих напряжений для электрической машины и

средство для подачи упомянутых управляющих напряжений на упомянутую электрическую машину;

причем упомянутое средство для вычисления управляющих напряжений выполнено с возможностью выполнения упомянутого вычисления в упомянутой системе отсчета ротора рекурсивно и в виде зависимости от значения периода обновления управления, значения напряжения постоянного тока и электрической угловой скорости ротора, при этом упомянутое устройство также содержит средство для рекурсивного вычисления напряжений компенсации гармоник тока.

6. Электрическая система (1), содержащая синхронную электрическую машину (2), содержащую статор и фазный ротор или ротор с постоянными магнитами, электрическую аккумуляторную батарею (5) для питания упомянутой электрической машины (2), трехфазный инвертор (3), который способен преобразовывать напряжение (V_DC) постоянного тока электрической аккумуляторной батареи (5) в трехфазные управляющие напряжения для управления синхронной электрической машиной (2), и устройство (4) управления по п. 5.

7. Автотранспортное средство, содержащее электрическую систему по п. 6.