СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ
METHOD FOR CONTROLLING SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE

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.
DC
Посредством ввода трехфазный инвертор 3 получает напряжение постоянного тока V 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.
DC
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 постоянного тока электрической батареи.
DC
Инвертором 3 управляют независимо, чтобы генерировать управляющие напряжения для электрической машины из напряжения V 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
d
q
- константы параметризации для системы управления, которые может определить специалист в данной области. Управляющие напряжения v, v, 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).