CN101567655A

CN101567655A - 电动车驱动用ipm电机的控制方法

Info

Publication number: CN101567655A
Application number: CNA2008100365772A
Authority: CN
Inventors: 贾要勤; 杨容; 杨仲庆
Original assignee: MYWAY ELECTRIC TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co Ltd
Current assignee: MYWAY ELECTRIC TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co Ltd
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: CN101567655B

Abstract

本发明公开了一种电动汽车用IPM电机的驱动控制方法，根据电动车用IPM电机的工作特性和各控制方法的特点及优势提出了一种分段控制策略，以及电机起动、运行时转子位置及转速的准确检测方法。利用霍尔传感器采用“先粗定位，再扫描”的方法，能够实现静止时转子初始位置的相对准确定位，可以使电机无论在空载、轻载还是重载下都能成功顺利起动，大大提高电机起动运行的可靠性。IPM电机成功起动后，可以对霍尔位置传感器的输出信号通过软件进行上升沿和下降沿的捕获，根据信号跳变沿在低转速和高转速时对转子位置进行校正，电机运行时采用T法测速，并在低转速和高转速时对算法进行一定的调整。在运行时转子位置和转速的正确检测下可以进行最大转矩电流比控制和弱磁控制这样一种分段控制策略，保证电机运行时输出最大转矩。由于传统的弱磁电流计算公式复杂，且受电机参数影响较大，实现起来会有很大的困难，本发明采用了直流电压反馈的弱磁控制算法，它无需增加任何硬件，相对来说简洁、直观，系统开支少，对电机参数的依赖性较小，更具实用性。

Description

电动车驱动用IPM电机的控制方法

一、所属技术领域

本发明主要是关于电动汽车用IPM永磁同步电机的驱动控制方法，以大转矩输出，宽范围调速，高效率运行作为最终目标对电机进行控制。

二、背景技术

发展电动汽车是解决石油资源危机及日益严重的环境污染问题的有效途径。与内燃机汽车相比，电动汽车具有可以使城市空气和噪声污染显著降低、能源利用更加合理、广泛等显著优点。其中电力驱动系统是电动汽车的心脏，是提高电动汽车的驱动性能、一次充电行驶里程及可靠性的根本保证。尤其是在目前蓄电池技术未取得突破的背景下，出色的电驱动系统是保证电动汽车续行里程、使之实用化的关键。

电动汽车需要运行于较宽的负载和速度范围，以及复杂的路况下，其驱动用电动机的运行工况非常恶劣，不仅表现在路面、气候及大幅度变化的交通状况，更重要的是由于电动汽车用电动机靠蓄电池这种有限能量电源供电，而蓄电池的电压变化范围大，特别是当电压降至临界值时的实际容量受到极大的限制，上述因素严重影响着电动汽车用电动机系统的整体性能。电动汽车用电动机系统的开发必须综合考虑上述因素，保证系统性能优异、高效和可靠。因此，与其它方面的应用相比，电动汽车驱动用电机及其控制系统必须满足如下的特殊要求：

1)要有足够的瞬时功率和较宽调速范围。低速运行应能够提供足够大的转矩，以满足电动车在运行中的起动、爬坡等要求；能够在高转速下正常运行，以满足汽车高速行驶及超车的需求。

2)在整个运行过程中必须具有较高的效率，以提高电动车一次充电行驶里程数，满足电动车长时间、长距离行驶的要求。

3)要有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的起动加速性能。目的是适应路面变化及频繁起动和刹车等复杂运行工况。

4)较高可靠性、功率密度、转矩密度，以满足整车要求，且成本低。

5)操纵性能符合司机驾驶习惯，运行平稳，乘坐舒适，电气系统故障保护措施完善。

三、发明内容

由于电动车用电驱动系统的特殊要求，以及现有技术存在的缺陷和不足，本发明所提供的方法所要解决的技术问题是：

1)为了使电动车在起步时IPM电机能够输出较大的转矩，基于霍尔位置传感器对电机的转子位置进行检测，提出并采用了“先粗定位，再扫描”的方法对电机转子初始位置进行准确检测，实现电机在最大转矩电流比控制策略下的最大转矩起动。

2)为了使电动车在运行时IPM电机仍能够输出较大的转矩，电机运行后对转子位置及转速算法进行准确校正与改进，在额定转速以下运行时采用最大转矩电流比控制，高速运行时采用了弱磁控制方法，使电机在高速运行时仍能输出较大的转矩。实现电机在低、中、高速的最大转矩输出控制。

3)传统的弱磁电流计算公式复杂，且受电机参数影响较大，实现起来会有很大的困难。本发明采用了直流电压反馈的弱磁控制算法，它无需增加任何硬件，相对来说简洁、直观，系统开支少，对电机参数的依赖性较小，更具实用性

四、附图说明

图1为电机矢量控制原理框图；

图2每一区域扫描转子初始位置示意图；

图3IPM电机工作特性图；

图4为电机弱磁控制原理框图；

图5为电机驱动控制系统结构图；

五、具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

1)本电机驱动控制系统中电机转子位置的检测由低成本的霍尔位置传感器来实现，霍尔位置传感器由固定在电机壳体的3个霍尔位置传感器和固定在转子上的齿钢盘构成，由软磁材料制成的齿槽通过钢盘与转子同轴安装，当钢盘上的齿进入霍尔传感器的检测点时，检测元件输出高电平，当槽进入霍尔传感器的检测点时，输出为低电平。三个霍尔位置传感器，其在空间上以相差120°电角度位置安装。当电机连续运行时每隔60电角度将会出现一个霍尔位置信号的跳变沿。因此一个电气周期内可获得6个确定的转子位置信号，而这6个离散的位置信号可将整个电气周期划分为6个宽度相等的区间。但是电机由运转到静止时，转子的初始位置是随机分布的，通过以上的高低电平信号，也只能确定转子位于某一个60°范围。在转子位置传感器硬件条件的限制下，为了达到静止时转子位置的准确检测使电机输出相对大的起动转矩的目的，本文提出了以下“先粗定位，再扫描”的方法。

如图2所示，先由霍尔位置传感器的三个输出信号确定转子位置处于某一60区域，以6个固定点0°、60°、120°、180°、240°、300°为转子位置初值，然后根据转速环、电流环的控制周期及电机参数等选择较适合的步长，在电机未转动之前以此步长在60°范围内，在转子位置初值上进行步长的累加，逐步进行扫描(即扫描法)，以寻找转子初始位置的相对准确值或准确值。值得注意的是，在扫描过程中，转子位置扫描(累加)的步长是个关键性的参数，要根据转速环、电流环的控制周期、电机的参数、负载的性质以及具体的电机起动要求来合理选择，步长过长，由于机械与电气惯性环节，会使电机或系统来不及响应；步长过短，会致使扫描时间过长，错过可启动电机的合理电流值，使起动时的电机效率降低、起动时间加长等。

2)常用的数字测速方法有三种，即M法测速、T法测速和M/T法测速。本控制采用T法来检测转子转速，是通过记录相邻两个脉冲间的时间间隔来计算电机转速的，即测量周期。

电机在低转速运行时，特别适合采用T法，对霍尔输出信号两次跳变沿之间通过采样周期进行计数，即计时nT，而两次跳变沿间是60°电气角度，从而可以通过

ω = \frac{60}{nT}

计算出电机转子的转速。

当电机处于高速运转时，相邻两个脉冲的时间间隔极短，一个采样周期之差都会使检测精度大大降低，所以采用对120°电气角度内的两次跳变沿(即间隔一跳变沿)进行采样周期的计数，即计时nT，使计时时间加长，可相对提高电机在高转速时检测的精度。

ω = \frac{120}{nT}

如此，便实现了电机转子在低速和高速时的转速检测。

3)在电机的整个运行速度范围内，考虑到由直流母线电压、电机及逆变器所决定的电压和电流极限，为了使电机能够输出最大的转矩和功率，对电机可进行分段控制。图3为电机工作特性图。由图可以看出，电机的工作特性分为三个区间，不同区间内对电机定子电流的控制方法和策略也不相同，即所谓的对电机进行分段控制。

为了使其在尽可能宽的转速范围内输出较大的转矩，低转速时为了发挥电机的凸极效应，利用其磁阻转矩，使相对应电流输出最大的转矩，应当采用最大转矩电流比控制策略。

在中速(超过基速)时，处于恒功率输出区域，由于受到逆变器直流侧电压和电机电流极限限制，采用弱磁控制，使电机在功率范围内、高转速下输出较大的转矩。

高速时由于受到逆变器直流侧电压的限制，为了使电机在高转速下输出较大的转矩，采用最大输出功率控制，使IPM电机的输出功率达到最大，可以充分发挥电机的最大输出转矩的能力。

4)高速时的弱磁控制可以通过下式

i_{d} = \frac{\sqrt{{(ψ_{f} L_{q})}^{2} + (L_{q}^{2} - L_{d}^{2}) [{(L_{q} i_{s})}^{2} - {(\frac{u_{\lim}}{ω})}^{2}]} - ψ_{f} L_{d}}{L_{q}^{2} - L_{d}^{2}}

i_{q} = \sqrt{i_{s}^{2} - i_{d}^{2}}

来分配流入电机定子的交、直轴电流分量，实现高速时电机的弱磁控制。但在实际控制系统中，上述弱磁电流分量的计算公式过于复杂，再加上电机参数的影响，使电流分量的计算和实现起来有很大的困难，运行效果比较差，所以本发明采用了直流电压PI算法来实现电机的弱磁控制，如图4所示。

该控制系统中增加了一个直流电压PI调节器，在控制回路中电流PI调节器输出的给定电压值反映了对逆变器直流母线电压的利用率。依靠控制回路中的电流PI调节器的输出值作为直流电压PI调节器的输入控制量，由电流PI调节器输出的给定电压经过函数计算所得值与直流母线电压之间的差值通过电压PI调节器产生一部分弱磁电流，来增加电机定子电流矢量中的直轴去磁电流分量。

当电机端电压较低时，电压PI调节器处于饱和状态，输出值为零，此时相当于最大转矩电流比控制系统，电机运行在恒转矩输出区。当电机端电压升高到一定值，电压PI调节器输入为负值时，调节器开始退出饱和，输出负的弱磁电流分量，其与最大转矩电流比控制得到的直轴电流共同组成了电机定子电流中的直轴去磁成分，同时经过dq电流计算模块的计算得到交轴电流分量。

当交、直轴电流分量确定后，通过电流矢量控制，使注入电机定子内的交、直轴电流跟踪电流给定值，即实现了电机的弱磁控制，在此控制过程中没有电流给定值的复杂计算，实现起来更加简洁和灵活。

整个控制系统的控制原理图和结构图如图1和图5所示。根据这些图可以很容易的设计出其它系统软硬件功能。

Claims

一种电动汽车用IPM电机的驱动控制方法，其特征在于：

(1)利用霍尔传感器采用“先粗定位，再扫描”的方法，能够实现静止时转子初始位置的相对准确定位，可以使电机无论在空载、轻载还是重载下都能成功顺利起动；

(2)利用霍尔位置传感器的输出信号通过软件进行上升沿和下降沿的捕获，根据信号跳变沿在低转速和高转速时对转子位置进行校正，电机运行时采用T法测速，并在低转速和高转速时对算法进行一定的调整；

(3)在运行时转子位置和转速的正确检测下可以进行最大转矩电流比控制和弱磁控制这样一种分段控制策略，保证电机运行时输出最大转矩；

(4)采用了直流电压反馈的弱磁控制算法，它无需增加任何硬件，相对来说简洁、直观，系统开支少，对电机参数的依赖性较小，更具实用性。

上述电机驱动控制系统由软件和硬件两部分组成，其中硬件包括以下部分：三相电源、三相调压器、整流模块、逆变器、IPM电机、电机负载、传感器、DSP控制模块、显示模块、PC机、人机接口和电源。

电机驱动控制系统的软件部分包括：电机驱动控制程序，PE-View8软件开发调试环境。

DSP主控制模块是本控制系统硬件的核心。以DSP主控制模块为中心设计和组建系统的控制电路，信号调理与隔离模块实现各输入输出信号间的电平转换和信号间的光电隔离等，使系统工作更加安全和可靠。电压霍尔信号、电流霍尔信号及电机转子位置霍尔信号通过信号调理及隔离模块输入DSP，通过A/D采样，经过一定的算法得到直流电流、电压的检测量及交流电流和电机转速反馈量。数据处理模块通过与DSP主控制模块的通信，并与PC机串行通讯在PEVIEW开发环境下可对控制过程中的各个变量进行处理以及波形显示，使整个控制过程中各变量的观察更加直观和透明化，以便于系统的调试和检查。PC机与DSP控制模块之间的光纤连接，实现对IPM电机控制算法的程序编写、实验调试、程序下载以及烧写等。