Dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente.

Un dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente,

aplicado a un dispositivo de control de vehículo eléctrico, que separa una corriente eléctrica en un motor de sincronización con imán permanente, impulsado por un inversor que convierte una tensión de corriente continua en una tensión de corriente alterna de frecuencia arbitraria y proporciona como salida la tensión de corriente alterna, en una corriente de eje d id y una corriente de eje q iq que son cantidades en un eje d y un eje q, respectivamente, y giran en sincronía con un ángulo eléctrico de giro del motor de sincronización con imán permanente, y que controla la corriente de eje d id y la corriente de eje q iq, en donde el dispositivo de control vectorial comprende:

una unidad de generación de consigna de corriente que genera una consigna de corriente de eje id* y una consigna de corriente de eje q iq* a partir de una consigna de par motor dada; y

una unidad de control de corriente que funciona de modo que las corrientes del motor coinciden con las respectivas consignas de corriente,

en donde la unidad de generación de consignas de corriente está provista de una unidad de generación de consigna básica de eje d que utiliza la consigna de par para generar una primera consigna básica de corriente de eje d id1*; una unidad limitadora que recibe la primera consigna básica de corriente de eje d id1* y proporciona como salida un valor obtenido limitando a menos de cero la primera consigna básica de corriente de eje d id1*, en forma de una segunda consigna básica de corriente de eje d id2*; una unidad de compensación de consigna de corriente de eje d que recibe la segunda consigna básica de corriente de eje d id2 * y genera como consigna de corriente de eje d id* un valor obtenido al corregir la segunda consigna básica de corriente de eje d id2* de acuerdo con un valor dV de compensación de consigna de corriente de eje d proporcionado desde la unidad de control de corriente; y una unidad de generación de consigna de corriente de eje q que genera una consigna de corriente de eje q iq* a partir de la consigna de corriente de eje d id*, y la unidad de generación de consignas de corriente genera la consigna de corriente de eje d id* y la consigna de corriente de eje q iq* capaces de generar con corrientes mínimas el par correspondiente a la consigna de par,

en donde la unidad de generación de consigna básica de corriente de eje d genera la primera consigna básica de corriente de eje d id1* al obtener un punto de intersección de una ecuación (3) siguiente que expresa la relación entre el par T, la corriente de eje d id y la corriente de eje q iq del motor con una ecuación lineal (4) siguiente que se obtiene al aplicar una aproximación lineal a una curva que expresa un estado en el cual el motor puede generar un par dado con corrientes mínima, a lo largo de un tramo de la curva que es sustancialmente una línea recta y con exclusión de una región en la cual la magnitud de la corriente de eje d y la magnitud de la corriente de eje q son pequeñas y que tiene una pendiente y una ordenada en el origen que representan la relación entre la corriente de eje d y la corriente de eje q, y en donde la primera consigna 35 básica de corriente de eje d id1* es generada a partir de una primera ecuación (7) a continuación.

Dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente

Campo técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente, y más en particular a un dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente provisto de una unidad de generación de consignas de corriente que puede obtener, mediante el uso de una expresión matemática sencilla, una consigna de corriente de eje d id* y una consigna de corriente de eje q iq* capaces de realizar el control por par máximo.

Antecedentes de la técnica La tecnología del control vectorial de un motor síncrono con imán permanente mediante el uso de un inversor se utiliza ampliamente en los campos industriales; al actuar por separado sobre la amplitud y la fase de la tensión de salida del inversor, se actúa de forma óptima sobre el vector de corriente del motor de manera tal que se controla de forma instantánea el par del motor a altas velocidades. Dado que, en comparación con un motor de inducción, el flujo magnético está asegurado por un imán permanente, no se requiere corriente de excitación, y dado que no fluye corriente en el rotor, no se produce pérdida secundaria en el cobre; por lo tanto, se considera que un motor síncrono con imán permanente es un motor de alta eficiencia, y en los últimos años se ha estudiado la aplicación de un motor síncrono con imán permanente a un dispositivo de control de vehículo eléctrico. Se sabe que, en un motor síncrono con imán permanente de imán integrado (es decir, una máquina síncrona con imán permanente interior, abreviado en lo sucesivo como IPMSM, por sus siglas en inglés) que, entre los motores síncronos de imán permanente, ha atraído la atención pública en los últimos años, su par motor se obtiene eficazmente al utilizar el par de reluctancia, producido por la diferencia entre los valores de resistencia magnética del rotor, además del par producido por el flujo magnético originado por un imán permanente.

Sin embargo, se sabe que, en una IPMSM, existen un gran número de combinaciones de corriente de eje d y de corriente de eje q para generar un par dado. Además, se sabe que las características de una IPMSM tales como la amplitud de la corriente que fluye en la IPMSM, el factor de potencia, la pérdida en el hierro y la pérdida en el cobre cambian en gran medida en función de las amplitudes respectivas de la corriente de eje d y de la corriente de eje q, es decir, de la selección del vector de corriente. En consecuencia, para hacer funcionar eficazmente una IPMSM, se requiere seleccionar un vector de corriente apropiado de acuerdo con la aplicación, y actuar sobre el mismo. Es decir, en un dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente, se precisa generar un consigna de corriente adecuada para controlar instantáneamente el vector de la corriente eléctrica que fluye al motor, de manera que el vector de corriente satisfaga las condiciones deseadas que se describen a continuación; por lo tanto, es importante en términos de la configuración de un sistema la manera en que se configure una unidad de generación de consignas de corriente que genere una consigna de corriente a partir de una consigna de par.

Los métodos para seleccionar una consigna de corriente incluyen un método en donde se maximice la eficiencia de un motor, un método en donde se haga valer "1" al factor de potencia del motor, un método en donde se maximice el par obtenido con un determinado flujo magnético de enlace, un método en donde se maximice el par obtenido con una determinada corriente aplicada al motor eléctrico, y similares; sin embargo, en términos de su aplicación a un dispositivo de control de vehículo eléctrico, el método en donde se maximiza el par obtenido con una corriente dada (denominado en lo sucesivo "control por par máximo") resulta óptimo, ya que, al utilizar este método, se puede mimimizar la intensidad nominal de un inversor al tiempo que se logra un funcionamiento muy eficiente del motor, con lo cual también se puede minimizar la pérdida en el inversor.

Como tecnología convencional relacionada, el documento de patente número 1 describe un método en el cual se miden preliminarmente, y se traza el mapa de sus correlaciones, los respectivos valores óptimos de corriente de eje d id y de corriente de eje q iq correspondientes a diversos tipos de valores de par de un motor; durante el funcionamiento del motor, se recurre al mapa, cuando es necesario, en respuesta a una consigna de par, y se obtienen una consigna de corriente de eje d id* y una consigna de corriente de eje q iq* correspondientes a la consigna de par; a continuación, se realiza el control de corriente de tal modo que las intensidades eléctricas correspondan a la consigna de corriente de eje d id* y a la consigna de corriente de eje q iq*.

[Documento de patente número 1] Solicitud de patente japonesa abierta a inspección pública número 2006-121855.

La optimización de la relación entre par motor e intensidad para máquinas síncronas excitadas por imán permanente basada en trayectorias de corriente predefinidas es un objeto de los documentos US20040364434, US2006055363 y US2004189243.

Exposición de la Invención

Problemas a ser resueltos por la Invención Sin embargo, el método en el cual se recurre a un mapa no es preferible porque, para crear el mapa, se requiere un paso de trabajo en cual se midan las corrientes eléctricas mientras se hace funcionar un motor con diversos tipos de valores de par, y luego se eligen combinaciones óptimas de una corriente de eje d id y una corriente de eje q iq, de manera que se necesita un tiempo y trabajo considerables para crear el mapa, y porque el montaje del mapa en un dispositivo real de control vectorial no se puede llevar a cabo fácilmente, por ejemplo por la razón de que el mapa llega a tener una gran tamaño y se hace complicado, por lo que se requiere una gran capacidad de memoria para almacenar el mapa.

La presente invención ha sido llevada a cabo para resolver los problemas anteriores; su objetivo es proporcionar un dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente que incluya una unidad de generación de consignas de corriente que pueda obtener, mediante el uso de una expresión de cálculo sencilla, una consigna de corriente de eje d id* y una consigna de corriente de eje q iq* con las cuales se pueda realizar el control por par máximo, sin utilizar ningún mapa, y que puede ser montada fácilmente en un dispositivo real de control vectorial.

Medios para resolver los problemas Estos objetos se resuelven mediante las características de la reivindicación de dispositivo 1. Las reivindicaciones dependientes exponen realizaciones ventajosas de la invención.

Ventajas de la Invención Un dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente de acuerdo con la presente invención hace posible realizar el control por par máximo mediante el uso de una expresión de cálculo sencilla, sin utilizar ningún mapa, y obtener en una región de altas velocidades la consigna de corriente de eje d id* y la consigna de corriente de eje q iq* que permiten el control en un flujo magnético debilitado; por tanto, se puede conseguir un dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente que tiene una unidad de generación de consignas de corriente que puede ser montada fácilmente en un dispositivo real de control vectorial.

Breve descripción de los dibujos La Figura 1 es un diagrama esquemático que ilustra la configuración de un dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente de acuerdo con la Realización 1 de la presente invención; la Figura 2 es una gráfica que representa la relación entre la curva de par y la curva que expresa la condición de corriente mínima, de acuerdo con la Realización 1 de la presente invención; la Figura 3 es un diagrama de bloques que ilustra la configuración de una unidad de generación de consignas de corriente según la Realización 1 de la presente invención; y la Figura 4 es un diagrama de bloques que ilustra la configuración de una unidad de generación de consignas de corriente de acuerdo con la Realización 2 de la presente invención.

Descripción de las referencias numéricas 1: CONDENSADOR

2: INVERSOR 3, 4, 5: DETECTOR DE CORRIENTE

6: MOTOR

7: RESOLVEDOR

8: DETECTOR DE TENSION

10: UNIDAD DE GENERACIÓN DE CONSIGNAS DE CORRIENTE

11: UNIDAD DE GENERACIÓN DE CONSIGNA BASICA DE CORRIENTE DE EJE D

12: UNIDAD LIMITADORA

13: CIRCUITO DE VALOR ABSOLUTO

14: SUMADOR (UNIDAD DE COMPENSACIÓN DE CONSIGNA DE CORRIENTE DE EJE D) ... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente, aplicado a un dispositivo de control de vehículo eléctrico, que separa una corriente eléctrica en un motor de sincronización con imán permanente, impulsado por un inversor que convierte una tensión de corriente continua en una tensión de corriente alterna de frecuencia arbitraria y proporciona como salida la tensión de corriente alterna, en una corriente de eje d id y una corriente de eje q iq que son cantidades en un eje d y un eje q, respectivamente, y giran en sincronía con un ángulo eléctrico de giro del motor de sincronización con imán permanente, y que controla la corriente de eje d id y la corriente de eje q iq, en donde el dispositivo de control vectorial comprende:

una unidad de generación de consigna de corriente que genera una consigna de corriente de eje id* y una consigna de corriente de eje q iq* a partir de una consigna de par motor dada; y una unidad de control de corriente que funciona de modo que las corrientes del motor coinciden con las respectivas consignas de corriente, en donde la unidad de generación de consignas de corriente está provista de una unidad de generación de consigna básica de eje d que utiliza la consigna de par para generar una primera consigna básica de corriente de eje d id1*; una unidad limitadora que recibe la primera consigna básica de corriente de eje d id1* y proporciona como salida un valor obtenido limitando a menos de cero la primera consigna básica de corriente de eje d id1*, en forma de una segunda consigna básica de corriente de eje d id2*; una unidad de compensación de consigna de corriente de eje d que recibe la segunda consigna básica de corriente de eje d id2 * y genera como consigna de corriente de eje d id* un valor obtenido al corregir la segunda consigna básica de corriente de eje d id2* de acuerdo con un valor dV de compensación de consigna de corriente de eje d proporcionado desde la unidad de control de corriente; y una unidad de generación de consigna de corriente de eje q que genera una consigna de corriente de eje q iq* a partir de la consigna de corriente de eje d id*, y la unidad de generación de consignas de corriente genera la consigna de corriente de eje d id* y la consigna de corriente de eje q iq* capaces de generar con corrientes mínimas el par correspondiente a la consigna de par, en donde la unidad de generación de consigna básica de corriente de eje d genera la primera consigna básica de corriente de eje d id1* al obtener un punto de intersección de una ecuación (3) siguiente que expresa la relación entre el par T, la corriente de eje d id y la corriente de eje q iq del motor con una ecuación lineal (4) siguiente que se obtiene al aplicar una aproximación lineal a una curva que expresa un estado en el cual el motor puede generar un par dado con corrientes mínima, a lo largo de un tramo de la curva que es sustancialmente una línea recta y con exclusión de una región en la cual la magnitud de la corriente de eje d y la magnitud de la corriente de eje q son pequeñas y que tiene una pendiente y una ordenada en el origen que representan la relación entre la corriente de eje d y la corriente de eje q, y en donde la primera consigna en donde Tabs* designa el valor absoluto de la consigna de par; Ld designa la inductancia de eje d (H) ; Lq designa la inductancia de eje q (H) ; ϕa designa el flujo magnético permanente (Wb) ; Pn designa el número de pares de polos del motor; a designa la pendiente de la ecuación lineal; y b designa la ordenada en el origen de la ecuación lineal.

2. El dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente según la reivindicación 1, en donde una cualquiera de Ld, Lq, ϕa, a y b de la primera ecuación es modificada en un instante arbitrario.

3. El dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente según la reivindicación 1, en donde una cualquiera de Ld, Lq, ϕa, a y b de la primera ecuación es modificada de acuerdo con una señal que incluye la corriente de eje d id y la corriente de eje q iq del motor, la consigna de corriente de eje d id*, la consigna de corriente de eje q iq* y la consigna de par T*.

4. El dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente según la reivindicación 1, en donde la consigna básica de corriente de eje q iq*, es generada por sustitución de la consigna de corriente de eje d id* en una segunda ecuación a continuación.

en donde T* designa la consigna de par; Ld designa la inductancia de eje d (H) ; Lq designa la inductancia de eje q (H) ; ϕa designa el flujo magnético permanente (Wb) ; y Pn designa el número de pares de polos del motor.

5. El dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente según la reivindicación 4, en donde una cualquiera de Ld, Lq, ϕa, a y b de la segunda ecuación es modificada en un instante arbitrario.

6. El dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente según la reivindicación 4, en donde una cualquiera de Ld, Lq, ϕa, a y b de la segunda ecuación es modificada de acuerdo con una señal que incluye la corriente de eje d id, y la corriente de eje q iq del motor, la consigna de corriente de eje d id*, la consigna de corriente de eje q iq* y la consigna de par T*.

7. El dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente según la reivindicación 1, en donde la consigna de corriente de eje q iq* es generada por sustitución de la consigna de corriente de eje d id* en una tercera ecuación a continuación.

en donde a y b designan la pendiente y la ordenada en el origen, respectivamente, de la primera ecuación.

8. El dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente según la reivindicación 7, en donde una cualquiera de a y b de la tercera ecuación es modificada en un instante arbitrario.

9. El dispositivo de control vectorial de motor síncrono con imán permanente según la reivindicación 7, en donde una cualquiera de a y b de la tercera ecuación es modificada de acuerdo con una señal que incluye la corriente de eje d id y la corriente de eje q iq del motor, la consigna de corriente de eje d id*, la consigna de corriente de eje q iq* y la consigna de par T*.