[发明专利]操作具有永磁体转子的同步电动机

说明书

技术领域

本发明涉及操作具有定子并具有永磁体转子的同步电动机的方法，所述定子包括一组电磁体。该电动机通常称作永磁体同步电动机(PMSM)。本发明还涉及用于操作该电动机的设备。具体的感兴趣的领域是控制PMSM，PMSM为轨道车辆的推进电动机。

背景技术

典型地，具有带至少一个电磁体的转子的异步电动机用于轨道车辆的推进。术语“轨道车辆”包括任何轨迹受约束的车辆。这些异步电动机能够容易地受到控制，因为不仅定子的电磁体，而且转子的单个或多个电磁体也能够适应于期望的操作行为。然而，PMSM电动机具有一些优点。特别是，功率密度(每体积可获得的功率)高且能量损失低。另一方面，如所提到的，如果在动态情况下需要电动机的快速响应，并且如果有效使用资源(具体是可利用的电压和能量)是重要的，则PMSM的控制更加困难。

通常，电动机的操作参数有极限(limit)。一些极限可以取决于操作状态，一些极限对电动机是固定的。具体地，这些极限是：电动机所容许的定子通量的最大值、用于驱动通过定子电磁体的电流的电压的值、这些电流的容许的最大值以及电动机所容许的最大容许转矩。

发明内容

本发明的目的是提供上述类型的方法和设备，以便以有效的方式控制PMSM。具体地，将处理不同的操作状态，诸如达到电动机的操作参数的极限的操作状态。

本发明的基本想法是使用直接定子通量控制。该通量控制的优点是最大可用电压能够用于驱动定子电流并且电动机显示出好的动态行为。例如，可以以所谓的六步操作(即以十六进制模式(hex mode))来操作用于驱动电动机的定子电流的DC-AC转换器，以实现最大可用电压。在此情况下，变换器的每个相在电动机中生成具有方形波的时间行为的电压。以此模式，电动机的电压幅度是可能的最大值，并且仅电压的频率和相位能够受到控制。此模式用于比基本速度高的速度。基本速度是最大的可能通量等于最大容许通量时转子的速度。

根据本发明的另一基本想法，使用实现期望的转矩所需的通过定子电磁体的电流的最小大小驱动电动机。特别是，这适用于转子的加速，例如当轨道车辆从静止加速至巡航速度时。

根据以下将描述的本发明的优选实施例，期望的转矩可以收入至电动机控制结构。期望的电动机转矩可以例如由轨道车辆的驾驶员选择，或其可以由自动控制系统输出至控制结构。此外，至控制结构的输入变量可以是：电动机的最大容许定子通量、驱动通过定子电磁体的电流的最大可用电压、转子的旋转速度给出的电动机速度、最大负载角、和/或通过定子电磁体的电流的最大值，最大负载角是定子通量与指示(referred to)转子的旋转轴的转子通量之间的角。控制结构可以产生可以输入至调制器的电压信号，并且调制器可以控制用于直接控制变换器的切换的装置，变换器将由可用电压驱动的直流电变换为通过电动机的电磁体的交流电。可以基于空间向量调制(SVM)操作直接控制变换器的控制装置。然而，使用控制结构的输出以驱动电动机的其它方法也是可能的。

本发明的基本概念是使用通量控制器控制电动机的定子通量的大小，并且，与该通量控制器并行地，使用负载角控制器控制定子通量和转子通量之间的负载角。通量控制器可以输出应当被产生的通量大小的量度(measure)。通量大小的量度可以是在定子通量的标准d-q坐标系中，定子通量大小的方向上的电压。另一方面，由负载角控制器产生的以驱动负载角并且从而驱动电动机的转矩的负载角控制器的量度可以是与定子通量大小的方向上的电压正交的电压。范例将在附图的描述中给出。优选地组合通量控制器产生的通量大小的量度和负载角控制器产生的负载角的量度，以产生提到的参考信号，或更具体而言，电压参考。

根据本发明的一个特征，关于期望的转矩的信息输入至通量控制器和负载角控制器。然而，在所有状况下，关于期望的转矩的信息不直接由通量控制器使用并且也不直接由负载角控制器使用。术语“关于期望的转矩的信息”包括至控制器的输入信号对应于参考值(期望的转矩)与实际值(实际转矩)之间的差的情况，即信息可以是差。下面为了简化措词，“期望的转矩”可以用于代替“关于期望的转矩的信息”。为产生用于通量控制器的输入，该输入直接由通量控制器使用，可以执行两个操作。根据一个操作，应用预定的函数。期望的转矩输入至预定的函数，并且预定的函数输出对应于使用最小的可能定子电流得到期望的电动机转矩的定子通量的大小的值。换句话说，预定的函数确保使用最小的可能定子电流产生期望的转矩。