本公开涉及一种同步电机的操作方法。
背景技术：
：根据是否包括永磁铁这一事实，同步电机分类为永磁电动机和磁阻电动机。进一步，根据将永磁铁放入转子里的方式，包括永磁铁的永磁电动机分类为封装永磁电动机和表装永磁电动机。此处，永磁电动机在每容积的效率和输出上都优于感应电动机。但是，永磁电动机通常比感应电动机贵。同时，没有永磁铁的磁阻电动机在价格上与感应电动机相似。然而，磁阻电动机没有铜损，因为电流不流进磁阻电动机的转子。因此，磁阻电动机的效率优于感应电动机。同时，假设同步电机的损耗分类为铜损和铁损，当仅考虑铜损而不考虑铁损时，因为电机在同样的输出下由最小的电流驱动，MTPA(每安培最大扭矩)操作可以最小化铜损。然而，传统的技术受制于这样的缺点,即MTPV(每伏特最大扭矩)曲线和初始值无法被准确测量并设定。技术实现要素：本公开涉及到解决上述问题/缺点，且本公开目标是提供一种同步电机的操作方法，其中同步电机能够实时地计算MTPA操作模式、CLVL(电流受限电压受限)操作模式、和MTPV操作模式下被驱动的d轴电流和q轴电流。本公开的另一目标是提供一种同步电机的操作方法，其中能够实时地反映定子电阻、d轴感应系数、q轴感应系数和DC(直流)母线电压，这样能够准确地计算d轴电流和q轴电流。在一般方案中，提供了一种同步电机的操作方法，该操作方法包括：基于取决于逆变器或电动机的额定电流的电流极限圆和取决于扭矩指令的扭矩曲线来生成MTPA(每安培最大扭矩)曲线；基于DC母线电压生成电压极限椭圆；将电流极限圆、扭矩曲线、MTPA曲线和电压极限椭圆显示在X-Y平面上；基于显示在X-Y平面上的电流极限圆、扭矩曲线、MTPA曲线和电压极限椭圆中至少两者的交点来计算d轴电流和q轴电流。在一些示范性的实施例中，当交点是电流极限圆与MTPA曲线间的交点时，依据该交点的d轴电流和q轴电流可以与MTPA操作模式下操作电动机的电流指令相符。在一些示范性的实施例中，操作方法可以进一步包括：判定交点是否是电流极限圆、扭矩曲线与MTPA曲线之间的交点；在判定交点是电流极限圆、扭矩曲线与MTPA曲线之间的交点时，基于依据该交点的参照转子速度，确定电动机的操作模式。在一些示范性的实施例中，操作方法可以进一步包括：判定电动机的转子速度是否小于参照转子速度；以及在判定电动机转子速度小于参照转子速度时，通过数值分析方法组合扭矩曲线和MTPA曲线，计算与在MTPA操作模式下操作电动机的电流指令相符的d轴电流和q轴电流。在一些示范性的实施例中，通过数值分析方法组合扭矩曲线与MTPA曲线，计算与在MTPA操作模式下操作电动机的电流指令相符的d轴电流和q轴电流的步骤可以包括：依据下式使用牛顿法计算d轴电流和q轴电流：FMTPA=FT(id,iq)FMTPA(id,iq)]]>J=(Ld-Lq)iqλf+(Ld-Lq)idλf+2(Ld-Lq)id-2(Ld-Lq)iq]]>，其中FT指的是扭矩曲线，FMTPA指的是MTPA曲线，Ld指的是d轴感应系数，Lq指的是q轴感应系数，λf指的是永磁铁的磁通量，iq指的是q轴电流，id指的是d轴电流。在一些示范性的实施例中，所述操作方法可以进一步包括：判定电动机的转子速度是否大于参照转子速度，并生成与扭矩指令相符的扭矩；在判定电动机的转子速度大于参照转子速度时，并为了生成与扭矩指令相符的扭矩，通过数值分析方法组合电流极限圆与电压极限椭圆，计算与在CLVL(电流受限电压受限)操作模式下操作电动机的电流指令相符的d轴电流和q轴电流。在一些示范性的实施例中，通过数值分析方法组合电流极限圆与电压极限椭圆，计算与在CLVL(电流受限电压受限)操作模式下操作电动机的电流指令相符的d轴电流和q轴电流的步骤可以包括：依据下式使用牛顿法计算d轴电流和q轴电流：FCLVL=FC(id,iq)FV(id,iq)]]>J=2id2iq2(Rsid-ωrLqiq)Rs-2(Rsid-ωrLqiq)ωrLq+2(Rsiq+ωrLdid+ωrλf)ωrLd+2(Rsiq+ωrLdid+ωrλf)Rs]]>，其中FC指电流极限圆，FV指电压极限椭圆，ωr指电动机的转子速度，Rs指电动机的定子电阻。在一些示范性的实施例中，所述操作方法可以进一步包括：判定电流极限圆和电压极限椭圆之间是否没有交点；在判定极限电流圆和极限电压椭圆之间没有交点时，通过数值分析方法组合电压极限椭圆与扭矩曲线，计算与在MTPV(每伏特最大扭矩)操作模式下操作电动机的电流指令相符的d轴电流和q轴电流。在一些示范性的实施例中，通过数值分析方法组合电压极限椭圆与扭矩曲线，计算与在MTPV(每伏特最大扭矩)操作模式下操作电动机的电流指令相符的d轴电流和q轴电流的步骤可以包括：依据下式使用牛顿法计算d轴电流和q轴电流：FMTPV=FMTPV(id,iq)FV(id,iq)]]>J=2(Rs2+ωr2Ld2)(Ld-Lq)id+λf(Rs2+ωr2Ld(2Ld-Lq))-2(Rs2+ωr2Lq2)(Ld-Lq)iq2(Rsid-ωrLqiq)Rs-2(Rsid-ωrLqiq)ωrLq+2(Rsiq+ωrLdid+ωrλf)ωrLd+2(Rsiq+ωrLdid+ωrλf)Rs]]>，其中FV指电压极限椭圆，FMTPV指电压极限椭圆与扭矩曲线之间的交点。在一些示范性的实施例中，牛顿法的初始值可以被设定这样值：d轴电流和q轴电流收敛到该值。根据本公开的示范性的实施例的操作方所法的效果可以描述如下：根据本公开的示范性的实施例中的至少一个，同步电机能够实时地计算MTPA、CLVL(电流受限电压受限)、和MTPV操作模式下被驱动的d轴电流和q轴电流。另外，根据本公开的示范性的实施例中的至少一个，可以实时地反映定子电阻、d轴感应系数、q轴感应系数和DC(直流)母线电压，这样能够准确地计算d轴电流和q轴电流。附图说明图1是说明根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法的图。图2是在根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中，当定子的电流量恒定时，使同步电机具有最小化扭矩的d轴电流和q轴电流的操作方法的说明图。图3是说明在根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中电流极限圆与MTPA曲线之间的交点的图，电流极限圆与MTPA曲线之间的交点是额定电流下产生最大扭矩的操作点。图4是在根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中，电压极限椭圆经过MTPA最大扭矩操作点的说明图。图5是说明在根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中电流极限圆与电压极限椭圆之间的交点的图，其中电流极限圆与电压极限椭圆之间的交点是CLVL操作点。图6是说明在根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中，电压极限椭圆与扭矩曲线相互接触的点的图，电压极限椭圆与扭矩曲线之间的该接触点是MTPV操作点。图7和图8是说明基于不同的扭矩指令和转子速度模拟根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法的模拟结果的图。图9是说明基于表装永磁电动机的参数来模拟根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法的模拟结果的图。图10是说明基于磁阻电动机的参数来模拟根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法的模拟结果的图。具体实施方式以下，参照所附图对本公开的一些示范性的实施例进行详细描述。在对图的说明中相同或相似的元素将会标注以相同的数字。因此，对相同结构的不必要解释和描述将被省略。同样，下面的说明中所使用的元素的术语，“模组”或“单元”作为单独的命名或结合其他使用，仅仅是为了简便勾勒本公开。因此，这些术语自身没有任何区别性意义或功能。另外，当关于本公开的已知功能或结构的详细描述被认定为偏离本公开的主旨时，这样的详细描述将被省略。另外，下文中将参照所附的、表示了一些示范性的实施例的图，对各种各样的示范性的实施例进行更充分的描述。然而，本发明构思可以体现为许多不同形式，并且不应解释为是对本文所列的示范性的实施例的限制。描述的方案意图包括全部此类落入本公开的保护范围和新颖构思的替换、修改、变动及等效替代。同时，包括例如“第一”或“第二”的序数词在内的术语，可以被用于对不同元素的描述。然而，所描述的元素不应受到该术语的限制。这些术语仅用于将特定元素与另一元素区分开来。当提及一个元素“连接”或“接入”另一部件时，这可以意味着其直接连接至或直接接入另一部件，但也可以理解为两者之间存在另一元素。另一方面，当提及一个元素“直接连接”或“直接接入”另一元素时，应理解为两者之间不存在其他元素。除非上下文明确作出相反的表示，否则此处所使用的单数形式的“一”，“一个”和“这个”均意图包括其复数形式。此处所使用的，例如“包括”或“具有”这样的术语，阐明此处可能存在所描述的特征、数字、步骤、功能、元素、部件或其组合。因此，不应理解为排除了其他的一个或多个所描述的特征、数字、步骤、功能、元素、部件或其组合存在的可能性。下文中，将参照所附图详细描述一些本公开的示范性的实施例。在本公开的主旨和实质特征的范围内对其进行各种各样的变换或修改，对本领域技术人员而言是显而易见的。本公开是关于在MTPA操作模式、CLVL操作模式和MTPV操作模式下对同步电机的操作方法。同步电机的数学模型可以指下面的方程式1。[方程式1]vd＝Rsid+pλd-ωrλqvq＝Rsiq+pλq-ωrλdλd＝Ldid+λfλq＝LqlqTe=32P2(λdiq-λqid)=32P2(λfiq+(Ld-Lq)idiq)]]>另外，如下面的方程式2所示，扭矩可以分类为磁扭矩和磁阻扭矩。[方程式2]Te,mag=32P2λfiq,Te,rel=32P2(Ld-Lq)idiq]]>首先，封装永磁电动机具有以下特征，其d轴感应系数与q轴感应系数关系为Ld＜Lq。因此，磁阻扭矩出现在封装永磁电动机中。另一方面，表装永磁电动机具有以下特征，其d轴感应系数与q轴感应系数关系为Ld＝Lq。因此，磁阻扭矩为零(0)，同时在表装永磁电动机中仅存在磁扭矩。另外，磁阻电动机不包括永磁铁，其中λf＝0。因此，磁扭矩为零，同时在磁阻电动机中仅存在磁阻扭矩。即，在这三种电动机中，封装永磁电动机具有磁扭矩和磁阻扭矩两者。因此，封装永磁电动机可被选为包含其他类型的电动机的广义模型。因此，以封装永磁电动机将作为参照，描述根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法。图1是根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法的说明图。参照图1，同步电机的操作方法可以包括步骤S110至S190。首先，可以生成电流极限圆和扭矩曲线(S110)，其中，电流极限圆依据逆变器或电动机的额定电流，扭矩曲线依据预先确定的扭矩指令。此处，电流极限圆和扭矩曲线可以依据额定电流和扭矩指令来预先确定。接着，基于步骤S110中已经生成或提前预生成的电流极限圆和扭矩指令，可以生成MTPA曲线，其中MTPA曲线指与MTPA(每安培最大扭矩)操作相符的操作点(S130)。接着，基于DC母线电压，可以生成电压极限椭圆(S150)。逆变器通过整流三相交流电电力，生成DC母线电压，并通过对DC母线电压执行PWM(脉冲宽度调制)转换来生成AC(交流)电压。因此，逆变器产生的电压的量受限于DC母线电压的量。接着，经过步骤S110至S150生成的电流极限圆、扭矩曲线、MTPA曲线和电压极限椭圆可以显示在X-Y平面上(S170)。接着，通过分析前述步骤S170中所显示的X-Y平面，可以计算d轴电流和q轴电流(S190)。具体地，基于显示在X-Y平面上的电流极限圆、扭矩曲线、MTPA曲线和电压极限椭圆中的至少两者之间的交点，可以计算d轴电流和q轴电流。此处，将结合相关数学方程式，对根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法所包含的每个步骤作更详细的描述。电流极限圆可由逆变器的额定电流或电动机的额定电流生成。电流极限圆可以依据以下的方程式3。方程式3可以指d轴电流和q轴电流显示在X-Y平面上的圆形区域。[方程式3]id2+iq2≤Im2扭矩指令可以确定扭矩曲线。扭矩曲线可以依据前述方程式1的公式组中的最后一个公式。因此，基于电流极限圆或步骤S110中生成的或提前预生成的扭矩指令，可以生成MTPA曲线，其中MTPA曲线指与MTPA(每安培最大扭矩)操作相符的操作点(S130)。MTPA操作是在定子的电流量恒定时，用于使d轴电流和q轴电流最大化扭矩的操作方法。图2是说明在根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中，当定子的电流量恒定时，操作同步电机以使得具有能够最大化扭矩的d轴电流和q轴电流的方法的图。参照图2，蓝色圆210可以指代表具有恒定量的定子电流的电流极限圆，粉色曲线220可以指具有恒定量的扭矩曲线。随着粉色曲线220向上移动，扭矩会增加。因此，具有最大扭矩的MTPA操作点可以存在于在两曲线210,220互相接触的点处。同时，扭矩曲线220和电流极限圆210可以分别定义为以下方程式4和5，其中FT＝0且FC＝0。[方程式4]FT=32P2(λfiq+(Ld-Lq)idiq)-Te]]>[方程式5]FC＝id2+iq2-Im2另外，当用公式表达任意点(id，iq)处的斜率相同的方程式时，可以导出以下方程式6：[方程式6]diqdid=-∂FT∂id∂FT∂iq=-32P2((Ld-Lq)iq)32P2(λf+(Ld-Lq)id)=-2id2iq=-∂FC∂id∂FC∂iq]]>另外，当整理方程式6时，可以导出下面的方程式7，其为双曲线方程式：[方程式7](Ld-Lq)iq2＝λfid+(Ld-Lq)id2此处，方程式7可以指MTPA曲线，其可以被定义为以下方程式8中的FMTPA。[方程式8]FMTPA＝λfid+(Ld-Lq)(id2-iq2)图3是说明在根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中电流极限圆与MTPA曲线之间的交点的图，其中电流极限圆与MTPA曲线之间的交点是在额定电流下产生最大扭矩的操作点。参照图3，在额定电流下产生最大扭矩的操作点可以是MTPA曲线330与电流极限圆310之间的交点A。下文中，将具体描述基于DC母线电压生成的电压极限椭圆。逆变器生成的电压量会受DC母线电压量的限制。在使用SVPWM(空间矢量PWM)的情况下，能够合成具有最大的相电压的电压。从d轴电压和q轴电压可以计算施加于封装永磁电动机上的电压量，可以指以下方程式9。[方程式9]vd2+vq2=(Rsid-ωrLqiq)2+(Rsiq+ωrLdid+ωrλf)2≤Vdc23]]>当满足方程式9的相等性的d轴电流和q轴电流被满足条件0≤θ＜2π的变量θ参数化时，可以导出以下方程式10。[方程式10]id(θ)＝acosφcosθ-bsinφsinθ-id0iq(θ)=ab(asinφcosθ+bcosφsinθ)-iq0]]>a=Vdc/3Rs2+ωr2LdLq]]>b=aLqLd]]>φ=-tan-1ωrLdLqRs]]>id0=ωr2LqλfRs2+ωr2LdLq]]>iq0=ωrRsλfRs2+ωr2LdLq]]>参照方程式10，电压极限曲线被确定是具有斜率φ和焦点(id0，iq0)的椭圆。椭圆的焦点和斜率可以依据转子速度而变化。另外，随着转子速度的增加，椭圆的尺寸将会减小。图4是说明根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中,电压极限椭圆经过MTPA最大扭矩操作点的图。参照图4,对电流极限圆410,扭矩曲线420,MTPA曲线430和电压极限椭圆440进行说明。随着转子速度增加，电压极限椭圆440的尺寸会减小。电压极限椭圆440经过MTPA最大扭矩操作点A的参照转子速度可以定义为ωrM。参照转子速度可以指以下方程式11。[方程式11]ωrM=-b+b2-4ac2a]]>a＝(LdIdm+λf)2+(LqIqm)2b＝2RsIqm((Ld-Lq)Idm+λf)c＝Rs2Im2-Vm2如图4所示，在参照转子速度(ωrM)以下的转子速度下，相对于全部扭矩指令，MTPA操作都是可行的。此外，通过数值分析方法组合扭矩曲线420和MTPA曲线430，可以计算与在MTPA操作模式下操作电动机的电流指令相符的d轴电流和q轴电流。另外，根据本公开的示范性的实施例，可以利用能够简单地实施的牛顿法来计算d轴电流和q轴电流。此处，使用二维牛顿法，因为存在两个约束公式。二维函数和雅可比函数可定义为方程式12。[方程式12]FMTPA=FT(id,iq)FMTPA(id,iq)]]>J=(Ld-Lq)iqλf+(Ld-Lq)idλf+2(Ld-Lq)id-2(Ld-Lq)iq]]>，其中FT指扭矩曲线420，FMTPA指MTPA曲线430，Ld指d轴感应系数，Lq指q轴感应系数，λf指永磁铁的磁通量，iq指q轴电流，id指d轴电流。在电动机的转子速度高于参照转子速度(ωrM)的情况下，依据扭矩指令的量，MTPA操作能够可行或者不可行。当MTPA操作不可行时，d轴电流的量被要求减小，从而生成与扭矩指令相符的扭矩。这样的操作可以称为CLVL(电流受限电压受限)。图5是说明在根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中,电流极限圆与电压极限椭圆之间的交点的图，其中电流极限圆与电压极限椭圆之间的交叉是CLVL操作点。参照图5，在点A请求执行操作从而执行MTPA操作。然而，MTPA操作在此时不可行，因为点A存在于电压极限椭圆540之外。因此，要求操作点移动至点B。点B可以被确定为电流极限圆510与电压极限椭圆540之间的交点B。基于电流极限圆510与电压极限椭圆540之间的交点B，通过数值分析方法组合电流极限圆510和电压极限椭圆540，可以计算与在CLVL(电流受限电压受限)操作模式下操作电动机的电流指令相符的d轴电流和q轴电流。另外，根据本公开的示范性的实施例，可以使用能够简单地实施的牛顿法来计算d轴电流和q轴电流。寻找CLVL操作点B的二维函数和雅可比函数可以定义为以下的方程式13。[方程式13]FCLVL=FC(id,iq)FV(id,iq)]]>J=2id2iq2(Rsid-ωrLqiq)Rs-2(Rsid-ωrLqiq)ωrLq+2(Rsiq+ωrLdid+ωrλf)ωrLd+2(Rsiq+ωrLdid+ωrλf)Rs]]>，其中FC指电流极限圆510，FV指电压极限椭圆540，ωr指电动机的转子速度，Rs指电动机的定子电阻。图6是说明在根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法中，电压极限椭圆与扭矩曲线互相接触的点，电压极限椭圆与扭矩曲线之间接触的该接触点是MTPV操作点。图6说明的例子中，电动机的转子速度比图5的例子增加的更多，如此，电压极限椭圆640进入电流极限圆610里面。在这样的例子中，CVCL操作点不存在，因为两曲线610,640之间没有交点。另外，在该例子中，电流极限圆610与电压极限椭圆640之间的交叉是电压极限椭圆640本身。因此，电压极限椭圆640与扭矩曲线620之间的交点C可以设定为操作点C。操作点C可以指MTPV(每伏特最大扭矩)操作点。基于电压极限椭圆640与扭矩曲线620之间的交点C，通过数值分析方法组合电压极限椭圆640和扭矩曲线620，可以计算与在MTPV(每伏特最大扭矩)操作模式下操作电动机的电流指令相符的d轴电流和q轴电流。另外，根据本公开的示范性的实施例，可以利用能够简单地实施的牛顿法来计算d轴电流和q轴电流。寻找MTPV操作点C的二维函数和雅可比函数可以定义为以下的方程式14。[方程式14]FMTPV=FMTPV(id,iq)FV(id,iq)]]>J=2(Rs2+ωr2Ld2)(Ld-Lq)id+λf(Rs2+ωr2Ld(2Ld-Lq))-2(Rs2+ωr2Lq2)(Ld-Lq)iq2(Rsid-ωrLqiq)Rs-2(Rsid-ωrLqiq)ωrLq+2(Rsiq+ωrLdid+ωrλf)ωrLd+2(Rsiq+ωrLdid+ωrλf)Rs]]>，其中FV指电压极限椭圆640，FMTPV指电压极限椭圆640与扭矩曲线620之间的交点。另外，准确、实时地计算与MTPA、CLVL或MTPV操作模式相符的d轴电流和q轴电流，牛顿法的初始值是至关重要的。这是因为，依据初始值可能得到非期望值。因此，牛顿法的初始值可以设定为具有这样的值：d轴电流和q轴电流收敛到该值。因此，根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法可以在给出转子速度和DC母线电压时实时计算电流指令。另外，可以考虑定子电阻来计算电流指令。此外，可以依据转子速度对操作模式分类，可以使用牛顿法实时计算电流指令。图7和图8是说明基于不同扭矩指令和转子速度来模拟根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法的模拟结果的图。图7说明了扭矩指令具有正值的例子，图8说明了扭矩指令具有负值的例子。参照图7和图8，可以确定，随着扭矩指令的绝对值减小，依据扭矩指令的扭矩曲线进入电流极限圆里。因此，使用本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法，能够容易地确定与MTPA、CLVL和MTPV操作模式相符的区域。由此，可以准确地实时计算与操作模式相符的d轴电流和q轴电流。图9是说明基于表装永磁电动机的参数来模拟根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法的模拟结果的图。参照图9，在表装永磁电动机中，d轴感应系数和q轴感应系数的关系是Ld＝Lq。因此，如图9中的粉色直线所示，表装永磁电动机中只存在磁扭矩。所以，如图9所示，将根据本公开的示范性的实施例的操作方法应用至表装永磁电动机，能够容易地确定与MTPA、CLVL和MTPV操作模式相符的区域。由此，可以准确地实时计算与操作模式相符的d轴电流和q轴电流。图10是说明基于磁阻电动机的参数来模拟根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法的模拟结果的图。参照图10，磁阻电动机中不包括永磁铁，即λf＝0。因此，在磁阻电动机中只存在磁阻扭矩而没有磁扭矩。所以，如图10所示，通过将本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法应用至磁阻电动机，能够容易地确定与MTPA、CLVL和MTPV操作模式相符的区域。由此，可以准确地实时计算与操作模式相符的d轴电流和q轴电流。因此，根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法可以实时地计算在MTPA、CLVL和MTPV操作模式下驱动的d轴电流和q轴电流。另外，根据本公开的示范性的实施例的同步电机的操作方法可以通过实时地反映定子电阻、d轴感应系数、q轴感应系数和DC母线电压来准确地计算d轴电流和q轴电流。上文提到的示范性的实施例仅仅是说明性的且不是对权利要求范围的限定。许多替换、修改、变动和等效替代对于本领域技术人员而言都是显而易见的。此处所描述的示范性的实施例的二者、结构、方法和其他特点可以在等效的范围内以各种各样的方法组合，从而取得附加的和/或替代的示范性的实施例。因此，本公开的权利的技术范围应通过合理解释所附的权利要求及其等效替换来决定。当前第1页1 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