CN103856134A

CN103856134A - 用于电动汽车的异步电机控制方法及其系统

Info

Publication number: CN103856134A
Application number: CN201410102737.4A
Authority: CN
Inventors: 王�锋; 沈金亮
Original assignee: Suzhou Academy of Xian Jiaotong University
Current assignee: Suzhou Academy of Xian Jiaotong University
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明提供一种用于电动汽车的异步电机控制方法及其系统，其通过实时监测异步电机的转子角速度、反馈励磁电流、电磁转矩，并据此调整控制异步电机运行的磁链，从而优化指令转子磁链，降低能量损耗，达到提高异步电机的运行效率的目的。因此，采用该异步电机控制方法及其系统的电动汽车也就具有续航里程高的优点。

Description

用于电动汽车的异步电机控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种用于电动汽车的异步电机控制方法及其系统。

背景技术

随着人们对环境问题的逐渐重视，电动汽车这种既方便又环保的新型交通工具，正在逐步成为大家关注的焦点。然而，由于电动汽车具有续航里程短、价格高等一些缺陷，因此还没有得到全面的普及。但电动汽车本身具有的环保和节能的优点将使其成为未来发展的趋势。

电动汽车的续航里程一般由电池的容量和能力转换效率来决定。其中能量转换效率主要与电动汽车的异步电机的运行效率有关。因此，提高异步电机的运行效率对提高电动汽车的续航里程有着重大的意义。

发明内容

基于此，有必要提供一种用于电动汽车的异步电机控制方法及其系统，其有利于提高异步电机的运行效率，具有提高电动汽车续航里程的优点。

一种用于电动汽车的异步电机控制方法，包括如下步骤：实时监测异步电机的转子角速度、反馈励磁电流、电磁转矩和转子时间常数；根据异步电机的转子角速度、电磁转矩和转子时间常数得到指令转子磁链；根据指令转子磁链、用户输入的转速、所述监测到的异步电机的转子角速度、反馈励磁电流和电磁转矩得到指令励磁电压分量和指令转矩电压分量；将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过坐标变换得到异步电机的控制量；使用异步电机的控制量控制异步电机的运行。

在其中一个实施例中，所述指令转子磁链是根据

Ψ_{r} = \sqrt[4]{((R_{s} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2} + \frac{L_{r} T_{r} R_{fe}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2}) / (\frac{R_{s}}{L_{m}^{2}} + \frac{ω_{r}^{2}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})}))}

公式得到的，其中Ψ_r为异步电机的指令转子磁链，R_s为异步电机的定子电阻，T_e为异步电机的转矩，L_r为异步电机的转子励磁电感，N_p为异步电机的电机极对数，L_m为异步电机的定子励磁电感，T_r为异步电机的转子时间常数的倒数，R_fe为异步电机的定子铁损等效电阻，ω_r为异步电机的转子角速度。

在其中一个实施例中，所述使用异步电机的控制量控制异步电机的运行的步骤是采用空间矢量脉宽调制方法控制异步电机的运行的。

在其中一个实施例中，所述将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过坐标变换得到异步电机的控制量的步骤是采用克拉克逆变换的方法实现的。

在其中一个实施例中，所述反馈励磁电流和电磁转矩是将采集到的异步电机的电流依次经过帕克变换和克拉克变换得到的。

一种用于电动汽车的异步电机控制系统，包括产生磁链的磁链模块、控制转速的转速模块、进行控制参数转换的控制参数转换模块、控制异步电机运转的控制电路模块、获取异步电机工作参数并将异步电机的工作参数进行转换的电机参数反馈模块、产生指令励磁电压分量的指令励磁电压分量模块以及产生指令转矩电压分量的指令转矩电压分量模块，所述电机参数反馈模块包括监测异步电机的转子时间常数的转子时间常数识别模块，所述磁链模块和转速模块根据用户输入的参数和电机参数反馈模块反馈的参数产生指令转子磁链和转速值，所述指令励磁电压分量模块和指令转矩电压分量模块根据指令转子磁链、转速值和电机参数反馈模块反馈的参数产生指令励磁电压分量和指令转矩电压分量，控制参数转换模块将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过变换得到异步电机的控制量，所述控制电路模块根据控制参数转换模块产生的控制量控制异步电机的运行。

在其中一个实施例中，所述磁链模块根据公式

Ψ_{r} = \sqrt[4]{((R_{s} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2} + \frac{L_{r} T_{r} R_{fe}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2}) / (\frac{R_{s}}{L_{m}^{2}} + \frac{ω_{r}^{2}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})}))}

得到指令转子磁链，其中Ψ_r为异步电机的指令转子磁链，R_s为异步电机的定子电阻，T_e为异步电机的转矩，L_r为异步电机的转子励磁电感，N_p为异步电机的电机极对数，L_m为异步电机的定子励磁电感，T_r为异步电机的转子时间常数的倒数，R_fe为异步电机的定子铁损等效电阻，ω_r为异步电机的转子角速度。

在其中一个实施例中，所述控制电路模块包括采用空间矢量脉宽调制方法控制异步电机运行的SVPWM模块。

在其中一个实施例中，所述控制参数转换模块为采用克拉克逆变换方法实现将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过坐标变换得到异步电机控制量的CLARKE逆变换模块。

在其中一个实施例中，所述电机参数反馈模块包括将采集到的异步电机的电流依次经过帕克变换和克拉克变换得到反馈励磁电流和电磁转矩的PARK变换模块和CLARKE变换模块。

上述用于电动汽车的异步电机控制方法及其系统实时监测异步电机的转子角速度、反馈励磁电流、电磁转矩，并据此调整控制异步电机运行的磁链，从而优化指令转子磁链，降低能量损耗，达到提高异步电机的运行效率的目的。因此，采用该异步电机控制方法及其系统的电动汽车也就具有续航里程高的优点。

附图说明

图1为本发明的用于电动汽车的异步电机控制方法流程图；

图2为本发明的用于电动汽车的异步电机控制系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参考图1，本发明的一个实施例提供一种用于电动汽车的异步电机控制方法。该用于电动汽车的异步电机控制方法包括如下步骤：

步骤S110，实时监测异步电机的转子角速度、反馈励磁电流、电磁转矩和转子时间常数。在该实施例中，转子角速度、反馈励磁电流、电磁转矩和转子时间常数等电机参数是采用MRAS（Model Reference Adaptive System，模型参考自适应系统）方法在线辨识获得的。其中，转子角速度可以通过在异步电机上设置速度检测装置来获得转子角速度。反馈励磁电流、电磁转矩是通过设置电流检测电路获得异步电机的电流后经过坐标转换得到的。转子时间常数是通过在线识别获得的。该实施例中的反馈励磁电流和电磁转矩是将采集到的异步电机的电流依次经过帕克(PARK)变换和克拉克(CLARKE)变换得到的。

步骤S120，根据公式

Ψ_{r} = \sqrt[4]{((R_{s} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2} + \frac{L_{r} T_{r} R_{fe}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2}) / (\frac{R_{s}}{L_{m}^{2}} + \frac{ω_{r}^{2}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})}))}

得到指令转子磁链Ψ_r。其中Ψ_r为异步电机的指令转子磁链，R_s为异步电机的定子电阻，T_e为异步电机的转矩，L_r为异步电机的转子励磁电感，N_p为异步电机的电机极对数，L_m为异步电机的定子励磁电感，T_r为异步电机的转子时间常数的倒数，R_fe为异步电机的定子铁损等效电阻，ω_r为异步电机的转子角速度。上述指令转子磁链公式是通过将异步电机的可控总损耗求导得到的。异步电机的可控总损耗包括定子和转子的铜损耗和铁损耗。

步骤S130，根据指令转子磁链Ψ_r、用户输入的转速、异步电机的转子角速度ω_r、反馈励磁电流和电磁转矩得到指令励磁电压分量和指令转矩电压分量。

步骤S140，将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过坐标变换得到异步电机的控制量。该步骤S140是采用克拉克(CLARKE)变换的方法实现的。

步骤S150，使用异步电机的控制量控制异步电机的运行。在该步骤S150中，对异步电机进行控制是采用空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse WidthModulation，SVPWM）方法控制异步电机的运行的。SVPWM控制方法由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。其与传统的正弦脉宽调制方法不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制)技术相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。

上述用于电动汽车的异步电机控制方法实时监测所采用的异步电机的转子角速度ω_r、反馈励磁电流、电磁转矩，并据此调整控制异步电机运行的磁链。然后根据指令转子磁链Ψ_r、用户输入的转速、异步电机的转子角速度ω_r、反馈励磁电流和电磁转矩得到指令励磁电压分量和指令转矩电压分量。将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量转化后来控制异步电机的运转。由于该用于电动汽车的异步电机控制方法实时监测异步电机的运行参数，并根据异步电机反馈的参数来对异步电机的控制电流进行调整，从而优化指令转子磁链，降低能量损耗。这样该用于电动汽车的异步电机控制方法就能够提高异步电机的运行效率。采用该异步电机控制方法的电动汽车也就具有续航里程高的优点。

请参考图2，本发明还提供一种用于电动汽车的异步电机控制系统100。该该用于电动汽车的异步电机控制系统100包括产生磁链的磁链模块110、控制转速的转速模块120、进行控制参数转换的控制参数转换模块130、控制异步电机运转的控制电路模块140、获取异步电机工作参数并将异步电机200的工作参数进行转换的电机参数反馈模块150、产生转矩的转矩模块160、产生指令励磁电压分量的指令励磁电压分量模块170、产生指令转矩电压分量的指令转矩电压分量模块180。

其中，磁链模块110根据磁链公式

Ψ_{r} = \sqrt[4]{((R_{s} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2} + \frac{L_{r} T_{r} R_{fe}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2}) / (\frac{R_{s}}{L_{m}^{2}} + \frac{ω_{r}^{2}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})}))}

得到指令转子磁链。在该磁链公式中，Ψ_r为异步电机的指令转子磁链，R_s为异步电机的定子电阻，T_e为异步电机的转矩，L_r为异步电机的转子励磁电感，N_p为异步电机的电机极对数，L_m为异步电机的定子励磁电感，T_r为异步电机的转子时间常数的倒数，R_fe为异步电机的定子铁损等效电阻，ω_r为异步电机的转子角速度。异步电机200的转子角速度ω_r可以通过在异步电机200上设置角速度检测元件来获得，其它参数为异步电机200本身所固有的参数，由异步电机200本身所决定。

转速模块120根据用户输入的转速和异步电机的转子角速度ω_r来产生转速值，以产生合适的转矩。转矩模块160根据转速模块120产生的转速值和磁链模块产生的指令转子磁链来生成合适的转矩值。

指令励磁电压分量模块170根据磁链模块110产生的指令转子磁链和电机参数反馈模块150获得的异步电机200的反馈励磁电流产生指令励磁电压分量。指令转矩电压分量模块180根据转矩模块160产生的转矩值和电机参数反馈模块150获得的异步电机200的电磁转矩产生指令转矩电压分量。

控制参数转换模块130为采用克拉克逆变换方法实现将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过坐标变换得到异步电机控制量的CLARKE逆变换模块。

控制电路模块140包括采用空间矢量脉宽调制方法控制异步电机运行的SVPWM模块141和进行电流转换的三相逆变桥模块142。经过三相逆变桥模块142转换的电流可以用来驱动异步电机200的运转。

电机参数反馈模块150包括将采集到的异步电机的电流依次经过帕克变换和克拉克变换得到反馈励磁电流和电磁转矩的PARK变换模块151和CLARKE变换模块152、获取反馈励磁电流和电磁转矩的反馈励磁电流模块和电磁转矩模块、实时监测转子时间常数的转子时间常数识别模块155以及对反馈励磁电流、电磁转矩和转子时间常数进行计算处理的计算模块156。

该用于电动汽车的异步电机控制系统100在工作时，磁链模块110和转速模块120根据用户输入的参数（主要为转速值）和电机参数反馈模块150反馈的参数（主要为异步电机200的转子角速度、异步电机200的转子时间常数、反馈励磁电流和电磁转矩）产生指令转子磁链和转速值。指令励磁电压分量模块170和指令转矩电压分量模块180根据指令转子磁链、转速值（即异步电机200的转子角速度）和电机参数反馈模块150反馈的参数（此处为反馈励磁电流和电磁转矩）产生指令励磁电压分量和指令转矩电压分量。控制参数转换模块130将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过变换得到异步电机（也就是异步电机200）的控制量，此处的控制量为异步电机工作需要的励磁电流和转矩电流。控制电路模块140根据控制参数转换模块130产生的控制量控制异步电机（也就是异步电机200）的运行。

由于电机参数反馈模块150实时监测异步电机的转子角速度ω_r、反馈励磁电流、电磁转矩，并据此调整控制异步电机运行的磁链，从而优化指令转子磁链；所以该用于电动汽车的异步电机控制系统100能够降低异步电机200的能量损耗，达到提高异步电机的运行效率的目的。因此，采用该异步电机控制系统的电动汽车也就具有续航里程高的优点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种用于电动汽车的异步电机控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

实时监测异步电机的转子角速度、反馈励磁电流、电磁转矩和转子时间常数；

根据异步电机的转子角速度、电磁转矩和转子时间常数得到指令转子磁链；

根据指令转子磁链、用户输入的转速、所述监测到的异步电机的转子角速度、反馈励磁电流和电磁转矩得到指令励磁电压分量和指令转矩电压分量；

将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过坐标变换得到异步电机的控制量；

使用异步电机的控制量控制异步电机的运行。

2.根据权利要求1所述的用于电动汽车的异步电机控制方法，其特征在于：所述指令转子磁链是根据

Ψ_{r} = \sqrt[4]{((R_{s} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2} + \frac{L_{r} T_{r} R_{fe}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2}) / (\frac{R_{s}}{L_{m}^{2}} + \frac{ω_{r}^{2}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})}))}

3.根据权利要求2所述的用于电动汽车的异步电机控制方法，其特征在于：所述使用异步电机的控制量控制异步电机的运行的步骤是采用空间矢量脉宽调制方法控制异步电机的运行的。

4.根据权利要求2所述的用于电动汽车的异步电机控制方法，其特征在于：所述将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过坐标变换得到异步电机的控制量的步骤是采用克拉克逆变换的方法实现的。

5.根据权利要求2所述的用于电动汽车的异步电机控制方法，其特征在于：所述反馈励磁电流和电磁转矩是将采集到的异步电机的电流依次经过帕克变换和克拉克变换得到的。

6.一种用于电动汽车的异步电机控制系统，其特征在于：包括产生磁链的磁链模块、控制转速的转速模块、进行控制参数转换的控制参数转换模块、控制异步电机运转的控制电路模块、获取异步电机工作参数并将异步电机的工作参数进行转换的电机参数反馈模块、产生指令励磁电压分量的指令励磁电压分量模块以及产生指令转矩电压分量的指令转矩电压分量模块，

所述电机参数反馈模块包括监测异步电机的转子时间常数的转子时间常数识别模块，所述磁链模块和转速模块根据用户输入的参数和电机参数反馈模块反馈的参数产生指令转子磁链和转速值，所述指令励磁电压分量模块和指令转矩电压分量模块根据指令转子磁链、转速值和电机参数反馈模块反馈的参数产生指令励磁电压分量和指令转矩电压分量，控制参数转换模块将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过变换得到异步电机的控制量，所述控制电路模块根据控制参数转换模块产生的控制量控制异步电机的运行。

7.根据权利要求6所述的用于电动汽车的异步电机控制系统，其特征在于：所述磁链模块根据公式

Ψ_{r} = \sqrt[4]{((R_{s} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2} + \frac{L_{r} T_{r} R_{fe}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})} {(\frac{T_{e} L_{r}}{n_{p} L_{m}})}^{2}) / (\frac{R_{s}}{L_{m}^{2}} + \frac{ω_{r}^{2}}{(R_{fe} + L_{r} T_{r})}))}

8.根据权利要求6所述的用于电动汽车的异步电机控制系统，其特征在于：所述控制电路模块包括采用空间矢量脉宽调制方法控制异步电机运行的SVPWM模块。

9.根据权利要求6所述的用于电动汽车的异步电机控制系统，其特征在于：所述控制参数转换模块为采用克拉克逆变换方法实现将指令励磁电压分量和指令转矩电压分量经过坐标变换得到异步电机控制量的CLARKE逆变换模块。

10.根据权利要求6所述的用于电动汽车的异步电机控制系统，其特征在于：所述电机参数反馈模块包括将采集到的异步电机的电流依次经过帕克变换和克拉克变换得到反馈励磁电流和电磁转矩的PARK变换模块和CLARKE变换模块。