CN103762924B - 一种永磁同步电机扭矩输出控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种永磁同步电机扭矩输出控制系统，包括依次电连接的调制模块、逆变器和永磁同步电机，还包括3/2变换模块、扭矩计算模块、需求电流计算模块、扭矩比较器、扭矩电流补偿积分调节模块、扭矩电流加法器、磁通电流计算模块、扭矩电流比较器、磁通电流比较器和电流PI调节模块。本发明在控制扭矩输出的基础上，以实际输出扭矩为目标，计算出扭矩偏差，用扭矩偏差去修正磁通电流和扭矩电流的匹配关系，使得电机扭矩输出跟踪目标扭矩。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机扭矩输出控制系统。
背景技术
近年来，永磁同步电机因扭矩响应快、功率密度高等优点，在纯电动车和混合动力汽车上得到了广泛应用，电机的驱动控制成为研究的热点。在新能源汽车上多采用扭矩控制方式进行电机驱动，电机控制器响应整车控制器的扭矩命令，驱动电机，进行车辆的正常控制。因此，对电机控制扭矩的精度提出了较高的要求。但在实际控制中，由于电机电感复杂的饱和特性，很难准确地标定和辨识，这样会造成扭矩控制上的偏差，从而影响整车控制性能。
发明内容
为解决现有永磁同步电机扭矩控制系统因难以对电机电感准确地标定和辨识而造成对电机输出扭矩的控制会产生较大偏差的技术问题，本发明提出一种永磁同步电机扭矩输出控制系统。
本发明的永磁同步电机扭矩输出控制系统，包括依次电连接的调制模块、逆变器和永磁同步电机，其特征在于还包括：
3/2变换模块：用于对电机的三相输出电流进行3/2变换，输出磁通电流反馈值和扭矩电流反馈值；
扭矩计算模块：用于根据磁通电流反馈值和扭矩电流反馈值计算出电机扭矩实际输出值；
需求电流计算模块：用于根据输入的电机扭矩输出需求值计算出该需求值对应的磁通电流需求值和扭矩电流需求值；
扭矩比较器：用于计算电机扭矩输出需求值与电机扭矩输出实际值的差值；
扭矩电流补偿积分调节模块：用于对电机扭矩输出需求值与电机扭矩输出实际值的差值进行积分调节，计算出扭矩电流补偿值；
扭矩电流加法器：用于计算扭矩电流需求值与扭矩电流补偿值的和值，即为扭矩电流参考值；
磁通电流计算模块：用于根据磁通电流需求值、扭矩电流需求值和扭矩电流参考值计算出磁通电流参考值；
扭矩电流比较器：用于计算扭矩电流参考值与扭矩电流反馈值的差值；
磁通电流比较器：用于计算磁通电流参考值与磁通电流反馈值的差值；和
电流PI调节模块：用于根据扭矩电流参考值与扭矩电流反馈值的差值以及磁通电流参考值与磁通电流反馈值的差值分别计算出电机同步旋转坐标下d轴电压和q轴电压，并将两电压值送入调制模块。
进一步的，需求电流计算模块包括：
电极电感计算单元：用于根据电机直轴和交轴电感的饱和特性计算不同电机电流下对应的电机电感；和
电流需求值计算单元：以最大扭矩电流比为控制目标，计算电机扭矩输出需求值对应的磁通电流需求值和扭矩电流需求值。
进一步的，磁通电流计算模块用于按如下公式计算：
is_ref1=sqrt(id_ref1^2+iq_ref1^2)，
id_ref2=sqrt(is_ref1^2-iq_ref2^2)；
其中，
is_ref1为磁通电流需求值和扭矩电流需求值确定的定子电流需求值，
id_ref1为磁通电流需求值，
iq_ref1为扭矩电流需求值，
id_ref2为磁通电流参考值，
iq_ref2为扭矩电流参考值。
进一步的，扭矩计算模块用于按如下公式计算：
T_fdb=1.5*np*iq_fdb*(φ-(Ld-Lq)*id_fdb)
其中，
T_fdb为电机扭矩实际输出值；
id_fdb为磁通电流反馈值；
iq_fdb为扭矩电流反馈值；
Ld为id_fdb下的直轴电感；
Lq为iq_fdb下的交轴电感；
np为电机极对数；
φ为电机永磁链。
进一步的，扭矩补偿积分调节模块包括相连接的积分电路和限幅电路。
进一步的，调制模块为SVPWM（SpaceVectorPulseWidthModulation，空间矢量脉宽调制）调制模块。
本发明具有以下有益效果：本发明在控制扭矩输出的基础上，以实际输出扭矩为目标，计算出扭矩偏差，用扭矩偏差去修正磁通电流和扭矩电流的匹配关系，使得电机扭矩输出跟踪目标扭矩。本发明在得到电机电感参数进行最大扭矩电流比控制中，使用计算的反馈扭矩和目标需求扭矩的偏差进行积分调节，进行扭矩电流的补偿，从而动态跟踪目标需求扭矩，既避免了工程离线标定扭矩的复杂过程，又解决了电感参数标定不准带来的扭矩精度问题，并且工程上实现方便实用。
附图说明
图1为本发明实施例的永磁同步电机扭矩输出控制系统结构示意框图；
图2为图1所示的控制系统中需求电流计算模块的功能结构示意图；
图3为图1所示的控制系统中磁通电流计算模块的信号处理示意图；
图4为图1所示的控制系统中电流PI调节模块的功能结构示意图；
图5为图1所示的控制系统中扭矩计算模块的信号梳理示意图；
图6为图1所示的控制系统中扭矩电流补偿积分调节模块的功能结构示意图。
图1-6中各参数含义：
T_ref：电机扭矩输出需求值；
id_ref1：磁通电流需求值；
iq_ref1：扭矩电流需求值；
is_ref1：根据磁通电流需求值和扭矩电流需求值确定的定子电流需求值；
id_ref2：扭矩电流补偿后计算得到的磁通电流参考值；
iq_ref2：扭矩电流补偿后计算得到的扭矩电流参考值；
iq_cmp：扭矩电流补偿值；
id_err：磁通电流参考值与磁通电流补偿值的差值；
iq_err：扭矩电流参考值与扭矩电流补偿值的差值；
ud：电机同步旋转坐标下d轴电压；
uq：电机同步旋转坐标下q轴电压；
id_fdb：磁通电流反馈值；
iq_fdb：扭矩电流反馈值；
T_fdb：电机扭矩反馈值，即电机扭矩实际输出值；
Ld：电机直轴电感；
Lq：电机交轴电感；
np：电机极对数；
φ：电机永磁链；
KP_id：磁通电流调节通道比例放大倍数；
KI_id：磁通电流调节通积分常数；
KP_iq：扭矩电流调节通道比例放大倍数；
KI_iq：扭矩电流调节通道积分常数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例的永磁同步电机扭矩输出控制系统，包括SVPWM调制模块、逆变器、永磁同步电机01、3/2变化模块02、扭矩计算模块03、需求电流计算模块04、扭矩比较器05、扭矩电流补偿积分调节模块06、扭矩电流加法器07、磁通电流计算模块08、扭矩电流比较器09、磁通电流比较器10和电流PI调节模块11。
调制模块、逆变器和永磁同步电机01依次电连接，永磁同步电机01的三相输出分别接3/2变换模块02。
3/2变换模块02对电机的三相输出电流进行3/2变换，输出磁通电流反馈值和扭矩电流反馈值，其输出的磁通电流反馈信号分别发送给扭矩计算模块03和磁通电流比较器10，其输出的扭矩电流反馈信号分别发送给扭矩计算模块03和扭矩电流比较器09。
扭矩计算模块03根据磁通电流反馈值和扭矩电流反馈值计算出电机扭矩实际输出值，输出至扭矩比较器05；扭矩比较器05计算出电机扭矩输出需求值与电机扭矩输出实际值的差值，将该差值输出至扭矩电流补偿积分调节模块06；扭矩电流补偿积分调节模块06对该差值进行积分调节，计算出扭矩电流补偿值，再将扭矩电流补偿值发送至扭矩电流加法器07。
需求电流计算模块04根据控制系统的输入信号中包含的电机扭矩输出需求值计算出该需求值对应的磁通电流需求值和扭矩电流需求值，将扭矩电流需求值发送至扭矩电流加法器07，并将扭矩电流需求值和磁通电流需求值发送至磁通电流计算模块08。
扭矩电流加法器07计算扭矩电流需求值与扭矩电流补偿值之和，将该和值作为扭矩电流参考值，并将分别其发送至磁通电流计算模块08和扭矩电流比较器09。
磁通电流计算模块08根据磁通电流需求值、扭矩电流需求值和扭矩电流参考值计算出磁通电流参考值，将磁通电流参考值发送至磁通电流比较器10。
扭矩电流比较器09根据从扭矩电流加法器07处获取的扭矩电流参考值和从3/2变换模块02处获取的扭矩电流反馈值，计算扭矩电流参考值与扭矩电流反馈值的差值，将其发送至电流PI调节模块11；磁通电流比较器10根据从磁通电流计算模块08处获取的磁通电流参考值和从3/2变换模块02处获取的磁通电流反馈值，计算磁通电流参考值与磁通电流反馈值的差值，将其发送至电流PI调节模块11。
电流PI调节模块11根据扭矩电流参考值与扭矩电流反馈值的差值以及磁通电流参考值与磁通电流反馈值的差值，分别计算出电机同步旋转坐标下d轴电压和q轴电压，并将两电压值送入SVPWM调制模块。
SVPWM调制模块经过对信号进行调制，控制逆变器，驱动永磁同步电机01，永磁同步电机01的三相输出信号分别输出至3/2转换模块。
需求电流计算模块04包括电极电感计算单元和电流需求值计算单元，电极电感计算单元根据电机直轴和交轴电感的饱和特性计算不同电机电流下对应的电机电感，电流需求值计算单元以最大扭矩电流比为控制目标，计算电机扭矩输出需求值对应的磁通电流需求值和扭矩电流需求值。或者，如图2所示，根据电机直轴和交轴电感的饱和特性，得到不同电流下对应的电感，再由最大扭矩电流比控制目标，计算出每个扭矩点对应的磁通电流和扭矩电流，得到不同需求扭矩对应的磁通电流和扭矩电流的关系表，预存于需求电流计算模块04中，需求电流计算模块04根据输入信号包含的电机扭矩输出需求值查询关系表，得出磁通电流需求值和扭矩电流需求值。
如图3所示，磁通电流计算模块08用于按如下公式计算：
is_ref1=sqrt(id_ref1^2+iq_ref1^2)，
id_ref2=sqrt(is_ref1^2-iq_ref2^2)；
其中，
is_ref1为磁通电流需求值和扭矩电流需求值确定的定子电流需求值，
id_ref1为磁通电流需求值，
iq_ref1为扭矩电流需求值，
id_ref2为磁通电流参考值，
iq_ref2为扭矩电流参考值。
如附图4所示，电流PI调节模块11，是将最终得到的磁通电流参考值与磁通电流反馈值的差值和扭矩电流参考值和扭矩电流反馈值的差值分别进行PI调节，磁通电流id通道由比例环节id_KP、积分环节id_KI及限幅环节组成，扭矩电流iq通道由比例环节iq_KP、积分环节iq_KI及限幅环节组成。
如图5所示，电机反馈的三相电流ia、ib和ic经过3/2变换后，得到磁通电流反馈值id_fdb和扭矩电流反馈至iq_fdb，根据电流查询电感电流表格，获取该电流下对应的直轴电感Ld和交轴电感Lq，扭矩计算模块03按如下公式计算：
T_fdb=1.5*np*iq_fdb*(φ-(Ld-Lq)*id_fdb)
其中，
T_fdb为电机扭矩实际输出值；
id_fdb为磁通电流反馈值；
iq_fdb为扭矩电流反馈值；
Ld为id_fdb下的直轴电感；
Lq为iq_fdb下的交轴电感；
np为电机极对数；
φ为电机永磁链。
如附图6所示扭矩电流补偿积分调节模块06，包括相连接的积分电路和限幅电路，其对扭矩偏差实施积分运算，当需求扭矩大于电机输出扭矩时，扭矩偏差为正，通过积分作用，不断增大扭矩电流，从而提高电机扭矩输出，跟踪需求扭矩；当需求扭矩小于电机输出扭矩时，扭矩偏差为负，通过积分作用，不断削弱扭矩电流，从而减小电机扭矩输出，从而跟踪需求扭矩。
如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种永磁同步电机扭矩输出控制系统，包括依次电连接的调制模块、逆变器和永磁同步电机（01），其特征在于还包括：
3/2变换模块（02）：用于对电机的三相输出电流进行3/2变换，输出磁通电流反馈值和扭矩电流反馈值；
扭矩计算模块（03）：用于根据磁通电流反馈值和扭矩电流反馈值计算出电机扭矩实际输出值；
需求电流计算模块（04）：用于根据输入的电机扭矩输出需求值计算出该需求值对应的磁通电流需求值和扭矩电流需求值；
扭矩比较器（05）：用于计算电机扭矩输出需求值与电机扭矩实际输出值的差值；
扭矩电流补偿积分调节模块（06）：用于对电机扭矩输出需求值与电机扭矩实际输出值的差值进行积分调节，计算出扭矩电流补偿值；
扭矩电流加法器（07）：用于计算扭矩电流需求值与扭矩电流补偿值的和值，即为扭矩电流参考值；
磁通电流计算模块（08）：用于根据磁通电流需求值、扭矩电流需求值和扭矩电流参考值计算出磁通电流参考值,磁通电流计算模块（08）用于按如下公式计算：
is_ref1=sqrt(id_ref1^2+iq_ref1^2)，
id_ref2=sqrt(is_ref1^2-iq_ref2^2)；
其中，
is_ref1为磁通电流需求值和扭矩电流需求值确定的定子电流需求值，
id_ref1为磁通电流需求值，
iq_ref1为扭矩电流需求值，
id_ref2为磁通电流参考值，
iq_ref2为扭矩电流参考值；
扭矩电流比较器（09）：用于计算扭矩电流参考值与扭矩电流反馈值的差值；
磁通电流比较器（10）：用于计算磁通电流参考值与磁通电流反馈值的差值；和
电流PI调节模块（11）：用于根据扭矩电流参考值与扭矩电流反馈值的差值以及磁通电流参考值与磁通电流反馈值的差值分别计算出电机同步旋转坐标下d轴电压和q轴电压，并将两电压值送入调制模块。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：需求电流计算模块（04）包括：
电机电感计算单元：用于根据电机直轴和交轴电感的饱和特性计算不同电机电流下对应的电机电感；和
电流需求值计算单元：以最大扭矩电流比为控制目标，计算电机扭矩输出需求值对应的磁通电流需求值和扭矩电流需求值。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：扭矩计算模块（03）用于按如下公式计算：
T_fdb=1.5*np*iq_fdb*(φ-(Ld-Lq)*id_fdb)
其中，
T_fdb为电机扭矩实际输出值；
id_fdb为磁通电流反馈值；
iq_fdb为扭矩电流反馈值；
Ld为id_fdb下的直轴电感；
Lq为iq_fdb下的交轴电感；
np为电机极对数；
φ为电机永磁链。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：扭矩电流补偿积分调节模块（06）包括相连接的积分电路和限幅电路。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：调制模块为SVPWM调制模块。
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