CN102684593A - 一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法 - Google Patents

一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法 Download PDF

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CN102684593A
CN102684593A CN2012100760034A CN201210076003A CN102684593A CN 102684593 A CN102684593 A CN 102684593A CN 2012100760034 A CN2012100760034 A CN 2012100760034A CN 201210076003 A CN201210076003 A CN 201210076003A CN 102684593 A CN102684593 A CN 102684593A
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郑刚
蒲晓珉
任亚辉
袁炀
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Dongfang Electric Corp
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Dongfang Electric Corp
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Abstract

本发明属于电动车电机控制技术，涉及一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法，在上位机电机驱动设计软件中输入电机参数并自动设计PI控制器参数和计算矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益，经仿真后再将上述参数配置到电机驱动控制器；所述控制器读取相应下载的值，采集与控制器连接的电机的数字信号和模拟信号，接收与控制器连接的总成控制器的总成控制信号，根据上述信号进行系统工况处理和故障处理，接着进行矢量控制，最后进行空间矢量脉宽调制，如此循环，完成电机控制流程；本发明只需在上位机电机驱动设计软件中输入相应的参数，并且把计算好的参数配置到电机驱动控制器，就能设计出针对不同型号电机的驱动控制器。

Description

一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法
技术领域
本发明属于电动车电机控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法。
背景技术
随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动车以其零排放、噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，电动车已成为21世纪汽车产业的发展方向，是绿色车辆最主要的发展方向之一。
在电动车的研究过程中，关键的技术内容包括：驱动电池技术，电机技术，驱动系统控制与集成技术，电池监视与管理系统技术，充电系统技术，电动车整车布置及匹配技术。其中，电动车驱动控制器的设计作为电动车研发过程中最重要的内容之一，对于设计方法的通用性以及便捷性等方面的要求越来越高。
通常，电机驱动控制器的设计方法是技术人员针对某一固定型号的电机，设计专门的电机驱动控制器，驱动控制器中的PI（比例积分）控制器参数以及相关参数的标幺化增益都是由技术人员计算所得。但是，这种电机驱动控制器的设计方法通常依靠技术人员的经验，通用性不强；对于多台不同型号的电机，技术人员需要设计多次才能得到对应不同电机的驱动控制器，工作量较大。
因此，电动车电机驱动的设计方法需要加以改进，本发明将提供一种利用上位机电机驱动设计软件的标幺设计方法。该方法通过上位机电机驱动设计软件仿真并计算电机驱动控制器的相关参数，再通过参数配置的方式把设计好的参数下载到电机驱动控制器，使设计方法变得通用性强，工作量小，方便快捷。
发明内容
本发明为克服上述技术问题，提供了一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法，通过上位机电机驱动设计软件仿真并计算电机驱动控制器的相关参数，再通过参数配置的方式把设计好的参数下载到电机驱动控制器，使设计方法变得通用性强，工作量小，方便快捷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法，其特征在于：在上位机电机驱动设计软件中输入电机参数，由上位机电机驱动设计软件自动设计PI控制器的参数，并自动计算矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益，经过电机矢量控制仿真后，再通过所述上位机电机驱动设计软件将PI控制器参数和所述相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益下载到未初始化的电机驱动控制器，存储于铁电存储器中，将电机驱动控制器设计成电动车电机驱动控制器；所述电动车电机驱动控制器读取铁电存储器中的PI控制器参数和矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益，并采集与电动车电机驱动控制器下端连接的的电机的数字信号和模拟信号，接收与电动车电机驱动控制器连接的总成控制器的总成控制信号，然后根据所采集的电机的数字信号和模拟信号、总成控制器的总成控制信号进行电动车驱动系统的工况处理和故障处理，接着进行矢量控制，最后进行空间矢量脉宽调制，如此循环，完成电机驱动控制器的电机控制流程。
所述上位机电机驱动设计软件是为设计控制器所服务的一款自制上位机软件；电机矢量控制是一种通用的电机控制方法，通过上位机通用仿真软件把该方法运用于电机仿真控制。
所述上位机电机驱动设计软件中输入的电机参数包括：额定相电流、额定转子转速、极对数、转动惯量、定子相电阻；当电机为永磁同步电机时，则还需输入d轴电感、q轴电感以及永磁磁链；当电机为异步电机时，则还需要输入定子漏感、转子漏感以及定子转子之间的互感。
所述上位机电机驱动设计软件自动计算矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益的计算公式如下所示：
相电流                                               
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE002
标幺值计算公式：           
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE004
            (1)
相电流
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE006
标幺值计算公式：           
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE008
            (2)
电机转子转速
Figure DEST_PATH_IMAGE010
标幺值计算公式：                 (3)
设定转速
Figure DEST_PATH_IMAGE014
标幺值计算公式：                  (4)
设定
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE018
标幺值计算公式：           
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE020
          (5)
控制电压
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE022
标幺值计算公式：        
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE024
            (6)
控制电压
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE026
标幺值计算公式：                    (7)
其中，
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE032
为额定相电流和额定转子转速。
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure DEST_PATH_IMAGE036
和由额定相电流、额定转子转速以及电机数学模型推导得出：
              
Figure DEST_PATH_IMAGE040
          (8)
           (9)
                        (10)
           
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE046
       (11)
               
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE048
           (12)
其中，
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE050
为旋转坐标系
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE052
轴与静止坐标系
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE054
轴的夹角，为定子绕组相电阻，为微分算子，
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE062
为定子绕组
Figure 907162DEST_PATH_IMAGE052
轴和
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE064
轴电感，
Figure 2012100760034100002DEST_PATH_IMAGE066
为永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链。
所述上位机电机驱动设计软件与电机驱动控制器之间采用CAN通信。CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1MBPS。所述参数相电流
Figure 886619DEST_PATH_IMAGE002
标幺化增益、相电流
Figure 479406DEST_PATH_IMAGE006
标幺化增益、电机转子转速
Figure 874615DEST_PATH_IMAGE010
标幺化增益、设定转速
Figure 751304DEST_PATH_IMAGE014
标幺化增益、设定
Figure 573767DEST_PATH_IMAGE018
标幺化增益、控制电压
Figure 653849DEST_PATH_IMAGE022
逆标幺化增益、控制电压
Figure 852749DEST_PATH_IMAGE026
逆标幺化增益以及六个PI控制器参数，在通信中均为四个字节，通信时每贞数据包含两个参数，上位机电机驱动设计软件依次把十三个参数发送给电机驱动控制器。这十三个参数的存储类型均为float型，每个参数占四个字节，按照上面参数列出的顺序，从首地址开始，依次存储在控制板的铁电存储器中。
所述电动车电机驱动控制器采用双闭环矢量控制标幺模型，该模型包括两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换模块（Park变换模块）、两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换模块（Park逆变换模块）、三相坐标系到两相静止坐标系的变换模块（Clark变换模块）、三项逆变器模块、空间矢量脉宽调制（SVPWM）模块、磁链观测模块、相电流
Figure 583945DEST_PATH_IMAGE002
标幺化增益、相电流标幺化增益、电机转子转速
Figure 144687DEST_PATH_IMAGE010
标幺化增益、设定转速
Figure 881699DEST_PATH_IMAGE014
标幺化增益、设定
Figure 467401DEST_PATH_IMAGE018
标幺化增益、控制电压
Figure 897246DEST_PATH_IMAGE022
逆标幺化增益、控制电压
Figure 951921DEST_PATH_IMAGE026
逆标幺化增益、PI控制器。
所述与电动车电机驱动控制器功率相匹配的电机的相关数字信号和模拟信号包括电流、转速以及温度信号等信号。
本发明的有益效果如下：
本发明固化了电动车驱动控制器的核心控制程序，对于不同的被控电机只需要修改控制器的参数则可以实现对不同的电机的控制，对驱动控制器的稳定运行有极大的好处，可减少设计人员的重复性劳动，提高电机控制器的设计效率；
由于保证对控制器的核心控制程序采用的是统一的标幺模型，这样本发明可以极大的提高控制器不论是在设计过程中还是运行过程中的稳定性。
附图说明
图1 为本发明电动车通用电机驱动控制器设计方法的设计流程图
图2为本发明电动车通用电机驱动控制器设计方法的矢量控制系统设计框图
图3为本发明电动车通用电机驱动控制器设计方法的上位机电机驱动设计软件参数输入界面图
图4为本发明电动车通用电机驱动控制器设计方法的上位机电机驱动设计软件参数配置完成界面图
图中附图标记为：1、Park变换模块；2、Park逆变换模块；3、Clark变换模块；4、三项逆变器模块；5、SVPWM模块；6、磁链观测模块；7、相电流标幺化增益；8、相电流
Figure 932832DEST_PATH_IMAGE006
标幺化增益；9、电机转子转速
Figure 267998DEST_PATH_IMAGE010
标幺化增益；10、设定转速
Figure 804110DEST_PATH_IMAGE014
标幺化增益；11、设定
Figure 882924DEST_PATH_IMAGE018
标幺化增益；12、控制电压
Figure 443219DEST_PATH_IMAGE022
逆标幺化增益；13、控制电压逆标幺化增益；14、PI控制器。
具体实施方式
如图1所示，一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法，是在上位机电机驱动设计软件中输入电机参数，由上位机电机驱动设计软件自动设计PI控制器的参数，并自动计算矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益，经过电机矢量控制仿真后，再通过所述上位机电机驱动设计软件将PI控制器参数和所述相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益下载到未初始化的电机驱动控制器，存储于铁电存储器中，将电机驱动控制器设计成电动车电机驱动控制器；所述电动车电机驱动控制器读取铁电存储器中的PI控制器参数和矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益，并采集与电动车电机驱动控制器下端连接的的电机的数字信号和模拟信号，接收与电动车电机驱动控制器连接的总成控制器的总成控制信号，然后根据所采集的电机的数字信号和模拟信号、总成控制器的总成控制信号进行电动车驱动系统的工况处理和故障处理，接着进行矢量控制，最后进行空间矢量脉宽调制，如此循环，完成电机驱动控制器的电机控制流程。
所述上位机电机驱动设计软件中输入的电机参数包括：额定相电流、额定转子转速、极对数、转动惯量、定子相电阻；当电机为永磁同步电机时，则还需输入d轴电感、q轴电感以及永磁磁链；当电机为异步电机时，则还需要输入定子漏感、转子漏感以及定子转子之间的互感。
所述上位机电机驱动设计软件自动计算矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益的计算公式如下：
相电流
Figure 978553DEST_PATH_IMAGE002
标幺值
Figure 861059DEST_PATH_IMAGE004
相电流标幺值
电机转子转速标幺值
Figure 890009DEST_PATH_IMAGE012
设定转速
Figure 424895DEST_PATH_IMAGE014
标幺值
Figure 538345DEST_PATH_IMAGE016
设定
Figure 276625DEST_PATH_IMAGE018
标幺值
Figure 500933DEST_PATH_IMAGE020
控制电压
Figure 624747DEST_PATH_IMAGE022
标幺值
Figure 909097DEST_PATH_IMAGE024
控制电压
Figure 134673DEST_PATH_IMAGE026
标幺值
Figure 162672DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 406572DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 596245DEST_PATH_IMAGE032
为额定相电流和额定转子转速；
Figure 309117DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 875227DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 239213DEST_PATH_IMAGE038
为： 
Figure 599787DEST_PATH_IMAGE042
，其中
Figure 799955DEST_PATH_IMAGE040
；
，其中
Figure 122669DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 919724DEST_PATH_IMAGE046
上述公式中：
Figure 341609DEST_PATH_IMAGE050
为旋转坐标系
Figure 515101DEST_PATH_IMAGE052
轴与静止坐标系轴的夹角，
Figure 363246DEST_PATH_IMAGE056
为定子绕组相电阻，为微分算子，
Figure 233299DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 98486DEST_PATH_IMAGE062
为定子绕组轴和
Figure 633821DEST_PATH_IMAGE064
轴电感，
Figure 945854DEST_PATH_IMAGE066
为永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链。
所述电机驱动设计软件与电机驱动控制器之间采用CAN通信；通信介质采用双绞线，或者同轴电缆，或者光导纤维，通信速率可达1MBPS。
所述参数相电流
Figure 931127DEST_PATH_IMAGE002
标幺化增益、相电流
Figure 53935DEST_PATH_IMAGE006
标幺化增益、电机转子转速标幺化增益、设定转速
Figure 115749DEST_PATH_IMAGE014
标幺化增益、设定标幺化增益、控制电压
Figure 311555DEST_PATH_IMAGE022
逆标幺化增益、控制电压
Figure 603996DEST_PATH_IMAGE026
逆标幺化增益以及六个PI控制器参数，在通信中均为四个字节，通信时每贞数据包含两个参数，上位机电机驱动设计软件依次把十三个参数发送给电机驱动控制器。这十三个参数的存储类型均为float型，每个参数占四个字节，按照上面参数列出的顺序，从首地址开始，依次存储在控制板的铁电存储器中。
如图2所示，所述电动车电机驱动控制器采用双闭环矢量控制标幺模型，该模型包括两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换模块1、两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换模块2、三相坐标系到两相静止坐标系的变换模块3、三项逆变器模块4、SVPWM模块5、磁链观测模块6、相电流
Figure 274143DEST_PATH_IMAGE002
标幺化增益7、相电流
Figure 968430DEST_PATH_IMAGE006
标幺化增益8、电机转子转速
Figure 682308DEST_PATH_IMAGE010
标幺化增益9、设定转速
Figure 727624DEST_PATH_IMAGE014
标幺化增益10、设定
Figure 935883DEST_PATH_IMAGE018
标幺化增益11、控制电压
Figure 484676DEST_PATH_IMAGE022
逆标幺化增益12、控制电压
Figure 635034DEST_PATH_IMAGE026
逆标幺化增益13、PI控制器14。
所述与电动车电机驱动控制器功率相匹配的电机的相关数字信号和模拟信号包括电流、转速以及温度信号等信号。
上位机电机驱动设计软件的参数输入界面如图3所示。在界面中，首先选择电机类型，若设计的电机驱动控制器针对永磁同步电机，则勾选永磁同步电机；否则，勾选异步电机。现以永磁同步电机为例说明软件的应用。在软件中勾选永磁同步电机，则在永磁同步电机参数栏中需要输入电机的d轴电感、q轴电感、永磁磁链定子漏感，而在异步电机参数栏中不需要再输入参数。在电机基本参数栏中需要输入额定相电流、额定转子转速、极对数、转动惯量、定子相电阻。
点击开始仿真按钮，软件自动计算出相电流
Figure 902068DEST_PATH_IMAGE002
标幺化增益、相电流
Figure 914017DEST_PATH_IMAGE006
标幺化增益、电机转子转速
Figure 317317DEST_PATH_IMAGE010
标幺化增益、设定转速
Figure 638577DEST_PATH_IMAGE014
标幺化增益、设定
Figure 392906DEST_PATH_IMAGE018
标幺化增益、控制电压
Figure 937108DEST_PATH_IMAGE022
逆标幺化增益、控制电压
Figure 460493DEST_PATH_IMAGE026
逆标幺化增益、d环PI控制器参数、q环PI控制器参数、转速环PI控制器参数。
确定上位机电机驱动设计软件与电机驱动控制器通信正常后，点击下载参数按钮，弹出如图4所示的参数配置完成界面。点击完成按钮，完成电动车电机驱动控制器的设计。

Claims (7)

1.一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法，其特征在于：在上位机电机驱动设计软件中输入电机参数，由上位机电机驱动设计软件自动设计PI控制器的参数，并自动计算矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益，经过电机矢量控制仿真后，再通过所述上位机电机驱动设计软件将PI控制器参数和所述相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益下载到未初始化的电机驱动控制器，存储于铁电存储器中，将电机驱动控制器设计成电动车电机驱动控制器；所述电动车电机驱动控制器读取铁电存储器中的PI控制器参数和矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益，并采集与电动车电机驱动控制器下端连接的的电机的数字信号和模拟信号，接收与电动车电机驱动控制器连接的总成控制器的总成控制信号，然后根据所采集的电机的数字信号和模拟信号、总成控制器的总成控制信号进行电动车驱动系统的工况处理和故障处理，接着进行矢量控制，最后进行空间矢量脉宽调制，如此循环，完成电机驱动控制器的电机控制流程。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述上位机电机驱动设计软件中输入的电机参数包括：额定相电流、额定转子转速、极对数、转动惯量、定子相电阻；当电机为永磁同步电机时，则还需输入d轴电感、q轴电感以及永磁磁链；当电机为异步电机时，则还需要输入定子漏感、转子漏感以及定子转子之间的互感。
3.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于：所述上位机电机驱动设计软件自动计算矢量控制中相应参数所需的标幺化增益以及逆标幺化增益的计算公式如下：
相电流                                                
Figure 569576DEST_PATH_IMAGE001
标幺值
Figure 424400DEST_PATH_IMAGE002
相电流
Figure 640355DEST_PATH_IMAGE003
标幺值
Figure 973248DEST_PATH_IMAGE004
电机转子转速
Figure 725303DEST_PATH_IMAGE005
标幺值
Figure 547766DEST_PATH_IMAGE006
设定转速
Figure 752482DEST_PATH_IMAGE007
标幺值
Figure 387600DEST_PATH_IMAGE008
设定
Figure 56479DEST_PATH_IMAGE009
标幺值
Figure 925209DEST_PATH_IMAGE010
控制电压
Figure 617222DEST_PATH_IMAGE011
标幺值
Figure 354234DEST_PATH_IMAGE012
控制电压
Figure 313837DEST_PATH_IMAGE013
标幺值
Figure 681364DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 922990DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 135797DEST_PATH_IMAGE016
为额定相电流和额定转子转速；
Figure 716951DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 52117DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 223116DEST_PATH_IMAGE019
为： 
Figure 301931DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 737591DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 446921DEST_PATH_IMAGE022
，其中
Figure 335243DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 217748DEST_PATH_IMAGE024
上述公式中：
Figure 6450DEST_PATH_IMAGE025
为旋转坐标系
Figure 886682DEST_PATH_IMAGE026
轴与静止坐标系
Figure 262299DEST_PATH_IMAGE027
轴的夹角，
Figure 682916DEST_PATH_IMAGE028
为定子绕组相电阻，
Figure 93169DEST_PATH_IMAGE029
为微分算子，
Figure 206619DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 568068DEST_PATH_IMAGE031
为定子绕组
Figure 792376DEST_PATH_IMAGE026
轴和
Figure 791556DEST_PATH_IMAGE032
轴电感，
Figure 75906DEST_PATH_IMAGE033
为永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述电机驱动设计软件与电机驱动控制器之间采用CAN通信；通信介质采用双绞线，或者同轴电缆，或者光导纤维，通信速率可达1MBPS。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述参数相电流
Figure 426116DEST_PATH_IMAGE001
标幺化增益、相电流
Figure 454115DEST_PATH_IMAGE003
标幺化增益、电机转子转速
Figure 573381DEST_PATH_IMAGE005
标幺化增益、设定转速标幺化增益、设定
Figure 99095DEST_PATH_IMAGE009
标幺化增益、控制电压
Figure 602889DEST_PATH_IMAGE011
逆标幺化增益、控制电压
Figure 904557DEST_PATH_IMAGE013
逆标幺化增益以及六个PI控制器参数，在通信中均为四个字节，通信时每贞数据包含两个参数，上位机电机驱动设计软件依次把十三个参数发送给电机驱动控制器；这十三个参数的存储类型均为float型，每个参数占四个字节，按照上面参数列出的顺序，从首地址开始，依次存储在控制板的铁电存储器中。
6.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：所述电动车电机驱动控制器采用双闭环矢量控制标幺模型，该模型包括两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换模块（1）、两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换模块（2）、三相坐标系到两相静止坐标系的变换模块（3）、三项逆变器模块（4）、SVPWM模块（5）、磁链观测模块（6）、相电流标幺化增益（7）、相电流
Figure 589933DEST_PATH_IMAGE003
标幺化增益（8）、电机转子转速
Figure 897418DEST_PATH_IMAGE005
标幺化增益（9）、设定转速
Figure 218372DEST_PATH_IMAGE007
标幺化增益（10）、设定
Figure 15427DEST_PATH_IMAGE009
标幺化增益（11）、控制电压
Figure 561946DEST_PATH_IMAGE011
逆标幺化增益（12）、控制电压
Figure 735438DEST_PATH_IMAGE013
逆标幺化增益（13）、PI控制器（14）。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述与电动车电机驱动控制器功率相匹配的电机的相关数字信号和模拟信号包括电流、转速以及温度信号。
CN2012100760034A 2012-03-21 2012-03-21 一种电动车通用电机驱动控制器的设计方法 Pending CN102684593A (zh)

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