CN103944472B - 具有滞环滤波功能的永磁同步电机的弱磁控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有滞环滤波功能的永磁同步电机的弱磁控制系统和方法，采取的技术方案主要为，在弱磁环程序中设置滞环滤波时间tfl和tfh，通过直轴电压Vd_ref和交轴电压Vq_ref计算合成电压矢量Vs，持续比较Vs的幅值与基准电压Vb的大小关系，然后判断该关系的持续时间ts是否达到滞环滤波时间tfl（或tfh），最后基于该结果进行弱磁环的闭环控制。本发明用于永磁同步电机的弱磁扩速技术，将滞环滤波引入弱磁控制环节，可以有效的避免由于瞬间干扰或抖动等因素导致的错误控制指令，使电机在弱磁环运行的稳定性和可靠性得到改善，对电动汽车的稳定控制具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于新能源汽车驱动电机系统领域，具体涉及具有滞环滤波功能的永磁同步电机弱磁控制系统及控制方法。
背景技术
与传统的燃油汽车相比，纯电动汽车具有低噪声、零排放等优点，大力发展纯电动汽车对缓解能源危机和减轻环境污染具有重要的意义。永磁同步电机具有的高功率密度和高效率等优点，使其在电动汽车的控制领域备受关注。为了获得较宽的调速范围，当电机在基速以上运行时需要进行弱磁控制，然而由于永磁同步电机的励磁磁动势由永磁体产生而无法调节，所以只能通过调节定子直轴去磁电流分量来维持电机在高速运行时的电压平衡，以此实现弱磁扩速。
现有的针对永磁同步电机的弱磁控制方法主要采用开环控制或简单的闭环PI控制；前者需要通过试验测试高速弱磁点的参数，工作量大，计算复杂，且受环境等因素的影响较大，后者虽然克服了前者的诸多缺陷，但是无法避免由于瞬间干扰或抖动等因素导致的错误控制指令。如公开日为2010年01月13日，申请号为200910041656.7的中国发明专利文献，具体公开了一种基于永磁同步电机的弱磁控制系统及其控制方法，该系统主要包括依次相连的扭矩输入模块、扭矩-电流查表模块矢量控制和解耦模块、空间矢量脉宽调制和逆变器模块以及永磁同步电机，该技术方案虽然可以有效地避免由于逆变器的饱和所引起的电机控制器错误的发生，为逆变器提供较大的裕量使其远离饱和区，但是无法避免由于瞬间干扰或抖动等因素导致的错误控制指令，并且控制执行效率较低，可移植性不好。
发明内容
本发明的目的是针对上述缺点，提供一种具有滞环滤波功能的永磁同步电机弱磁控制系统及控制方法，该系统可以将滞环滤波引入弱磁闭环控制环节，使电机在弱磁环运行的稳定性和可靠性得到改善。
本发明的技术方案如下：
具有滞环滤波功能的永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于：包括Iq调整模块、比例积分PI控制模块、坐标变换模块一、坐标变换模块二、脉宽调制及逆变模块、永磁同步电机、合成电压矢量幅值比较模块、滞环滤波模块、弱磁控制模块；
Iq调整模块，用于计算交轴电流最终给定值Iq_ref*；具体是利用永磁同步电机的交轴电流原始给定值Iq_ref、经初始给定值Id_ref与弱磁控制模块输出量累加后的新的直轴电流给定值Id_ref*、Id_ref*与Iq_ref*的合成电流矢量所允许的最大值Ismax，计算交轴电流最终给定值Iq_ref*；
PI控制模块，用于电流环PI调节，并输出交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref；
坐标变换模块一，用于PARK(PARK为人名)逆变换；
脉宽调制及逆变模块，用于生成三相控制电流；
坐标变换模块二，用于CLARKE/PARK(CLARKE/PARK均为人名)变换；
滞环滤波模块，用于滤除系统瞬间干扰或抖动；
合成电压矢量幅值比较模块，用于计算滞环滤波模块的输入量；
弱磁控制模块，用于计算弱磁环输出电流Ifw；
Iq调整模块的输入端接入永磁同步电机的交轴电流原始给定值Iq_ref、新的直轴电流给定值Id_ref*，Iq调整模块输出Iq_ref*，Iq调整模块的输出端连接至减法器正向输入端；
PI控制模块的输入端接入减法器输出端，PI控制模块的输出端输出交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref并同时连接至坐标变换模块一与合成电压矢量幅值比较模块；
坐标变换模块一的输入端接入PI控制模块输出端的交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref，坐标变换模块一的输出端输出两相静止直角坐标系αβ下的电压Vα_ref与Vβ_ref并连接至脉宽调制及逆变模块；
脉宽调制及逆变模块的输入端接入坐标变换模块一输出端的两相静止直角坐标系αβ下的电压Vα_ref与Vβ_ref，脉宽调制及逆变模块的输出端输出三相交流电并连接至永磁同步电机；
坐标变换模块二的输入端接入永磁同步电机的三相交流电流，坐标变换模块二的输出端输出交轴电流反馈值Iq_f与直轴电流反馈值Id_f并连接至减法器的负向输入端；
合成电压矢量幅值比较模块的输入端接入PI控制模块输出端的交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref，合成电压矢量幅值比较模块的输出端输出比较值Vsb并连接至滞环滤波模块；
滞环滤波模块的输入端接入合成电压矢量幅值比较模块输出的比较值Vsb，滞环滤波模块的输出端输出滞环滤波后的电压Vsf并连接至弱磁控制模块；
弱磁控制模块的输入端接入滞环滤波模块输出的滞环滤波后的电压Vsf，弱磁控制模块的输出端输出弱磁电流Ifw并连接至加法器。
所述滞环滤波模块设置有滞环滤波时间。
所述合成电压矢量幅值比较模块设置有输出状态计时器。
所述弱磁控制模块设置有弱磁PI调节器输出使能功能。
所述弱磁控制系统的控制方法是：
合成电压矢量幅值比较模块根据PI控制模块输出的交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref计算合成电压矢量Vs，并将合成电压矢量Vs与基准电压Vb作差输出比较值Vsb；
滞环滤波模块根据合成电压矢量幅值比较模块的输出状态计时器的时间ts与滞环滤波时间的比较结果决定输出；
弱磁控制模块通过弱磁PI调节器输出使能功能决定弱磁控制模块的弱磁输出电流Ifw；
Iq调整模块通过弱磁控制模块的输出Ifw与直轴电流原始给定值Id_ref叠加计算新的直轴电流给定值Id_ref*，并通过交轴电流原始给定值Iq_ref和新的直轴电流给定值Id_ref*，以及合成电流矢量所允许的最大值Ismax，共同确定交轴电流最终给定值Iq_ref*。
所述新的直轴电流给定值Id_ref*为：Id_ref*＝Id_ref+Ifw。
所述交轴电流最终给定值Iq_ref*为：
(1)如果则
(2)如果则Iq_ref*＝Iq_ref；
所述合成电压矢量Vs为：
所述比较值Vsb为：Vsb＝Vs-Vb。
在滞环滤波模块中，通过判断合成电压矢量幅值比较模块输出的比较值Vsb与零的大小关系选择所需的滞环滤波控制子程序，所述滞环滤波时间开始弱磁的滤波时间为tfl和结束弱磁的滤波时间为tfh，滞环滤波模块的具体实施过程如下：
(1)当Vsb≥0时，查询开始弱磁标志Flag_BFW与结束弱磁标志Flag_EFW的状态；若Flag_BFW＝1且Flag_EFW＝0，清零计时器时间ts，同时将Vs赋值给滞环滤波模块的输出Vsf，并结束本次滞环滤波子程序，进入弱磁控制子程序；否则若Flag_BFW＝0或Flag_EFW＝1，则查询合成电压矢量幅值比较模块的前一次输出值Vsb0；
若Vsb0≥0，则将Vsb赋值给Vsb0；若Vsb0<0，则将计时器时间ts清零，再将Vsb赋值给Vsb0；
再判断状态的持续时间ts是否大于tfl：如果ts大于或等于tfl，则置位开始弱磁标志Flag_BFW，清零结束弱磁标志Flag_EFW，同时将Vs赋值给滞环滤波模块的输出Vsf；如果ts小于tfl，滞环滤波模块的输出Vsf保持不变；
结束本次滞环滤波子程序，进入弱磁控制子程序；
(2)当Vsb<0时，查询开始弱磁标志Flag_BFW与结束弱磁标志Flag_EFW的状态；若Flag_BFW＝0且Flag_EFW＝1，清零计时器时间ts，同时将Vs赋值给滞环滤波模块的输出Vsf，并结束本次滞环滤波子程序；否则若Flag_BFW＝1或Flag_EFW＝0，则查询电压矢量幅值比较模块的前一次输出值Vsb0；
若Vsb0<0，则将Vsb赋值给Vsb0；若Vsb0≥0，则将计时器时间ts清零，再将Vsb赋值给Vsb0；
再判断状态的持续时间ts是否大于tfh：如果大于或等于tfh，则置位结束弱磁标志Flag_EFW，清零开始弱磁标志Flag_BFW，同时将Vs赋值给滞环滤波模块的输出Vsf，否则滞环滤波模块的输出Vsf保持不变；结束本次滞环滤波子程序；
在弱磁控制模块中，通过比较弱磁环PI调节器的输出值Ifw_PI与零的大小关系决定弱磁控制模块的输出。如果弱磁环PI调节器的输出值Ifw_PI≥0，则屏蔽弱磁环PI调节器的输出，即弱磁控制模块的输出Ifw＝0；否则，使能弱磁环PI调节器的输出，即弱磁控制模块的输出Ifw＝Ifw_PI。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.弱磁环中引入信号滞环滤波，可以有效的避免电机由于瞬间干扰和抖动等因素导致的错误控制指令；
2.通过比较弱磁环PI调节器的输出与零的大小关系，判断使能或屏蔽弱磁环PI调节器的输出，即提高了控制过程的执行效率，又提供了弱磁临界切换点的缓冲区间；
3.控制过程设计简单，且可靠性高，可移植性好。
附图说明
图1是本发明的控制系统结构图；
图2是本发明滞环滤波的工作原理图；
图3是本发明弱磁控制模块工作原理流程图；
图4是本发明Iq调整模块的工作原理流程图。
其中，附图标记为：1 Iq调整模块，2 PI控制模块，3坐标变换模块一，4脉宽调制及逆变模块，5永磁同步电机，6坐标变换模块二，7合成电压矢量幅值比较模块，8滞环滤波模块，9弱磁控制模块。
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明本发明。
实施例1：
如图1所示，一种永磁同步电机的弱磁控制系统，该系统包括Iq调整模块1、PI控制模块2、坐标变换模块一3、脉宽调制及逆变模块4、永磁同步电机5、坐标变换模块二6、合成电压矢量幅值比较模块7、滞环滤波模块8、弱磁控制模块9；所述合成电压矢量幅值比较模块7根据PI控制模块2输出的交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref计算合成电压矢量Vs，通过合成电压矢量Vs与系统的基准电压Vb决定输出的比较值Vsb；所述滞环滤波模块8设置有滞环滤波时间以及合成电压矢量幅值比较模块7的输出状态计时器，滞环滤波模块8根据计时器的时间ts与滞环滤波时间的比较结果决定输出Vsf；所述弱磁控制模块9设置有弱磁环PI调节器，弱磁环PI调节器输入反馈量为滞环滤波模块8的输出量Vsf，输入参考量为Vb，弱磁控制模块9还设置有弱磁环PI调节器输出使能功能，并决定弱磁控制模块9的输出Ifw，用于直轴电流给定值Id_ref*的计算；所述Iq调整模块1利用交轴电流原始给定值Iq_ref和新的直轴电流给定值Id_ref*，以及合成电流矢量所允许的最大值Ismax，计算交轴电流最终给定值Iq_ref*。
如图2所述，滞环滤波模块8首先判断合成电压矢量幅值比较模块7的输出信号Vsb是否大于或等于零。
若Vsb≥0，则查询开始弱磁标志Flag_BFW与结束弱磁标志Flag_EFW的状态；若Flag_BFW＝1且Flag_EFW＝0，则清零计时器时间ts，同时将Vs赋值给滞环滤波模块8的输出Vsf，并结束本次滞环滤波子程序，进入弱磁控制子程序，否则查询合成电压矢量幅值比较模块7的前一次输出值Vsb0；若Vsb0≧0，则将Vsb赋值给Vsb0，否则清零计时器时间ts，再将Vsb赋值给Vsb0；判断状态的持续时间ts是否大于或等于tfl，如果大于或等于tfl，则置位开始弱磁标志Flag_BFW，清零结束弱磁标志Flag_EFW，同时将Vs赋值给滞环滤波模块8的输出Vsf，否则滞环滤波模块8的输出Vsf保持不变；结束本次滞环滤波子程序，进入弱磁控制子程序；
若Vsb<0，则查询开始弱磁标志Flag_BFW与结束弱磁标志Flag_EFW的状态；若Flag_BFW＝0且Flag_EFW＝1，则清零计时器时间ts，同时将Vs赋值给滞环滤波模块8的输出Vsf，并结束本次滞环滤波子程序，否则查询合成电压矢量幅值比较模块7的前一次输出值Vsb0；若Vsb0<0，则将Vsb赋值给Vsb0，否则清零计时器时间ts，再将Vsb赋值给Vsb0；判断状态的持续时间ts是否大于或等于tfh，如果大于或等于tfh，则置位结束弱磁标志Flag_EFW，清零开始弱磁标志Flag_BFW，同时将Vs赋值给滞环滤波模块8的输出Vsf，否则滞环滤波模块8的输出Vsf保持不变；结束本次滞环滤波子程序。
如图3所示，弱磁控制模块9通过比较弱磁环PI调节器的输出值Ifw_PI与零的大小关系决定弱磁控制模块9的输出。如果弱磁环PI调节器的输出值Ifw_PI≥0，则屏蔽弱磁环PI调节器的输出，即弱磁控制模块9的输出Ifw＝0；如果弱磁环PI调节器的输出值Ifw_PI<0，则使能弱磁环PI调节器的输出，即弱磁控制模块9的输出Ifw＝Ifw_PI。
如图4所示，Iq调整模块1首先计算通过弱磁控制模块9的输出Ifw与直轴电流原始给定值Id_ref叠加计算出新的直轴电流给定值Id_ref*，计算公式为Id_ref*＝Id_ref+Ifw。然后通过交轴电流原始给定值Iq_ref和新的直轴电流给定值Id_ref*，以及合成电流矢量所允许的最大值Ismax，共同确定交轴电流最终给定值Iq_ref*。交轴电流最终给定值Iq_ref*的确定方法如下：首先计算
然后比较Iq_ref与I^q_ref：
(1).如果Iq_ref≥I^q_ref，则Iq_ref*＝I^q_ref；
(2).如果Iq_ref＜I^q_ref，则Iq_ref*＝Iq_ref。
Claims (5)
1.具有滞环滤波功能的永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于：包括Iq调整模块(1)、PI控制模块(2)、坐标变换模块一(3)、坐标变换模块二(6)、脉宽调制及逆变模块(4)、永磁同步电机(5)、合成电压矢量幅值比较模块(7)、滞环滤波模块(8)、弱磁控制模块(9)；
Iq调整模块(1)，用于计算交轴电流最终给定值Iq_ref*；具体是利用永磁同步电机(5)的交轴电流原始给定值Iq_ref、经初始给定值Id_ref与弱磁控制模块(9)输出量累加后的新的直轴电流给定值Id_ref*与Iq_ref*的合成电流矢量所允许的最大值Ismax，计算交轴电流最终给定值Iq_ref*；
PI控制模块(2)，用于电流环PI调节，并输出交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref；
坐标变换模块一(3)，用于PARK逆变换；
脉宽调制及逆变模块(4)，用于生成三相控制电流；
坐标变换模块二(6)，用于CLARKE/PARK变换；
滞环滤波模块(8)，用于滤除系统瞬间干扰或抖动；
合成电压矢量幅值比较模块(7)，用于计算滞环滤波模块(8)的输入量；
弱磁控制模块(9)，用于计算弱磁环输出电流Ifw；
Iq调整模块(1)的输入端接入永磁同步电机(5)的交轴电流原始给定值Iq_ref、新的直轴电流给定值Id_ref*，Iq调整模块(1)输出电流Iq_ref*，Iq调整模块(1)的输出端连接至减法器正向输入端；
PI控制模块(2)的输入端接入减法器输出端，PI控制模块(2)的输出端输出交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref并同时连接至坐标变换模块一(3)与合成电压矢量幅值比较模块(7)；
坐标变换模块一(3)的输入端接入PI控制模块(2)输出端的交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref，坐标变换模块一(3)的输出端输出两相静止直角坐标系αβ下的电压Vα_ref与Vβ_ref并连接至脉宽调制及逆变模块(4)；
脉宽调制及逆变模块(4)的输入端接入坐标变换模块一(3)输出端的两相静止直角坐标系αβ下的电压Vα_ref与Vβ_ref，脉宽调制及逆变模块(4)的输出端输出三相交流电并连接至永磁同步电机(5)；
坐标变换模块二(6)的输入端接入永磁同步电机(5)的三相交流电流，坐标变换模块二(6)的输出端输出交轴电流反馈值Iq_f与直轴电流反馈值Id_f并连接至减法器的负向输入端；
合成电压矢量幅值比较模块(7)的输入端接入PI控制模块(2)输出端的交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref，合成电压矢量幅值比较模块(7)的输出端输出比较值Vsb并连接至滞环滤波模块(8)；
滞环滤波模块(8)的输入端接入合成电压矢量幅值比较模块(7)输出的比较值Vsb，滞环滤波模块(8)的输出端输出滞环滤波后的电压Vsf并连接至弱磁控制模块(9)；
弱磁控制模块(9)的输入端接入滞环滤波模块(8)输出的滞环滤波后的电压Vsf，弱磁控制模块(9)的输出端输出弱磁电流Ifw并连接至加法器；
所述滞环滤波模块(8)设置有滞环滤波时间。
2.根据权利要求1所述的具有滞环滤波功能的永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于：所述合成电压矢量幅值比较模块(7)设置有输出状态计时器。
3.根据权利要求1所述的具有滞环滤波功能的永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于：所述弱磁控制模块(9)设置有弱磁PI调节器输出使能功能。
4.根据权利要求1所述的具有滞环滤波功能的永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于：所述弱磁控制系统的控制方法是：
合成电压矢量幅值比较模块(7)根据PI控制模块(2)输出的交轴电压Vq_ref和直轴电压Vd_ref计算合成电压矢量Vs，并将合成电压矢量Vs与基准电压Vb作差输出比较值Vsb；
滞环滤波模块(8)根据合成电压矢量幅值比较模块(7)的输出状态计时器的时间ts与滞环滤波时间的比较结果决定输出；
弱磁控制模块(9)通过弱磁PI调节器输出使能功能决定弱磁控制模块(9)的弱磁输出电流Ifw；
Iq调整模块(1)通过弱磁控制模块(9)的输出Ifw与直轴电流原始给定值Id_ref叠加计算新的直轴电流给定值Id_ref*，并通过交轴电流原始给定值Iq_ref和新的直轴电流给定值Id_ref*，以及合成电流矢量所允许的最大值Ismax，共同确定交轴电流最终给定值Iq_ref*；
所述新的直轴电流给定值Id_ref*为：Id_ref*＝Id_ref+Ifw；
所述交轴电流最终给定值Iq_ref*为：
(1)如果则
(2)如果则Iq_ref*＝Iq_ref；
所述合成电压矢量Vs为：
所述比较值Vsb为：Vsb＝Vs-Vb。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的具有滞环滤波功能的永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于：在滞环滤波模块(8)中，通过判断合成电压矢量幅值比较模块(7)输出的比较值Vsb与零的大小关系选择所需的滞环滤波控制子程序，所述滞环滤波时间开始弱磁的滤波时间为tfl和结束弱磁的滤波时间为tfh，滞环滤波模块(8)的具体实施过程如下：
(1)当Vsb≥0时，查询开始弱磁标志Flag_BFW与结束弱磁标志Flag_EFW的状态；若Flag_BFW＝1且Flag_EFW＝0，清零计时器时间ts，同时将Vs赋值给滞环滤波模块(8)的输出Vsf，并结束本次滞环滤波子程序，进入弱磁控制子程序；否则若Flag_BFW＝0或Flag_EFW＝1，则查询合成电压矢量幅值比较模块(7)的前一次输出值Vsb0；
若Vsb0≥0，则将Vsb赋值给Vsb0；若Vsb0<0，则将计时器时间ts清零，再将Vsb赋值给Vsb0；
再判断状态的持续时间ts是否大于tfl：如果ts大于或等于tfl，则置位开始弱磁标志Flag_BFW，清零结束弱磁标志Flag_EFW，同时将Vs赋值给滞环滤波模块(8)的输出Vsf；如果ts小于tfl，滞环滤波模块(8)的输出Vsf保持不变；
结束本次滞环滤波子程序，进入弱磁控制子程序；
(2)当Vsb<0时，查询开始弱磁标志Flag_BFW与结束弱磁标志Flag_EFW的状态；若Flag_BFW＝0且Flag_EFW＝1，清零计时器时间ts，同时将Vs赋值给滞环滤波模块(8)的输出Vsf，并结束本次滞环滤波子程序；否则若Flag_BFW＝1或Flag_EFW＝0，则查询电压矢量幅值比较模块的前一次输出值Vsb0；
若Vsb0<0，则将Vsb赋值给Vsb0；若Vsb0≥0，则将计时器时间ts清零，再将Vsb赋值给Vsb0；
再判断状态的持续时间ts是否大于tfh：如果大于或等于tfh，则置位结束弱磁标志Flag_EFW，清零开始弱磁标志Flag_BFW，同时将Vs赋值给滞环滤波模块(8)的输出Vsf，否则滞环滤波模块(8)的输出Vsf保持不变；结束本次滞环滤波子程序；
在弱磁控制模块(9)中，通过比较弱磁环PI调节器的输出值Ifw_PI与零的大小关系决定弱磁控制模块(9)的输出；如果弱磁环PI调节器的输出值Ifw_PI≥0，则屏蔽弱磁环PI调节器的输出，即弱磁控制模块(9)的输出Ifw＝0；否则，使能弱磁环PI调节器的输出，即弱磁控制模块(9)的输出Ifw＝Ifw_PI。
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2014
- 2014-04-04 CN CN201410135491.0A patent/CN103944472B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102386836A (zh) * | 2010-08-27 | 2012-03-21 | 永济新时速电机电器有限责任公司 | 永磁同步电机传动控制方法及装置 |
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| CN103490675A (zh) * | 2013-10-11 | 2014-01-01 | 南车株洲电力机车研究所有限公司 | 一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 轨道车辆用永磁同步电机系统弱磁控制策略;盛义发等;《中国电机工程学报》;20100325;第30卷(第9期);第74-79页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103944472A (zh) | 2014-07-23 |
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