CN104811112B - 一种电动汽车的双馈永磁同步电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动汽车的双馈永磁同步电机的控制方法，针对双定子结构的新型电机，将整个电机等效划分为内、外电机，采用双转矩控制、双弱磁控制、单弱磁加单转矩控制相结合的控制方法；当电动汽车低速启动时，内、外电机同时运行于转矩控制下，转子将获得最大的电磁转矩；当电动汽车高速运行时，内、外电机同时运行于弱磁控制下，在给定直流电压的限制下，减小转子永磁体磁链，以恒功率方式进一步提高转速，且内、外电机的弱磁控制共同作用于转子；当电动汽车高速超车时，外电机进入弱磁控制而提速，内电机则在转矩控制的作用下以最大转矩电流比分配d、q轴电流，增加转子的转矩。

Description

一种电动汽车的双馈永磁同步电机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种结构简单新颖的新型双馈永磁同步电动机的控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显等优点，在电动汽车车载蓄电池技术未有突破的情况下，对新型永磁同步电机的研究、电动汽车电驱动系统的开发成为近年来世界各国汽车界的重要研究课题。专利CN203352396U《一种双定子电机》给出了一种具有双定子结构的新型电机，其转子为杯状结构，设置在第一定子和第二定子之间，通过第一、第二两个永磁体共同作用实现急停急转，精度控制高。新型双馈电动机采用同心式双定子结构实现，即内、外定子和转子嵌套的结构，与传统单定子永磁无刷电机相比,在改善性能的同时,电机的结构更加复杂，其内、外电机磁场耦合，增加了控制的难度。

专利CN202152005U《电动汽车双轮双馈驱动系统》提出了定子双绕组无刷双馈电机用于牵引电机时的控制策略。为实现无刷双馈电机两绕组的协调控制，功率绕组采用直接转矩控制，控制绕组采用无功功率优化的电流最小化控制策略，使得牵引电机的动态响应更快、能量分配更灵活。为了充分利用双定子结构的永磁同步电机的磁场资源，既需要对内、外定子实施独立控制，最大限度的提高转子转速，又需要实施联合控制，在实现转子转速提升的同时，提高电磁转矩，增加转子出力矩能力。因此如何建立新型双馈永磁同步电机的控制策略，使其满足转矩、转速同时且灵活的调节就显得十分重要。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构简单新颖的双馈永磁同步电机的控制方法，针对电动汽车停车启动、高速运行、高速超车等几种运行状态，通过两组IGBT既可以单独控制内电机或外电机，又可以同时控制两个电机，实现整个电机的多种运行方式控制。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种电动汽车的双馈永磁同步电机的控制方法，针对双定子结构的新型电机，将整个电机等效划分为内、外电机，采用双转矩控制、双弱磁控制、单弱磁加单转矩控制相结合的控制方法；

当电动汽车低速启动时，内、外电机同时运行于转矩控制下，转子将获得最大的电磁转矩；

当电动汽车高速运行时，内、外电机同时运行于弱磁控制下，减小磁链，在给定直流电压的限制下，以恒功率方式进一步提高转速，且内外电机的弱磁控制共同作用于转子；

当电动汽车高速超车时，外电机进入弱磁控制而提速，内电机则在转矩控制的作用下增加q轴电流，增加转子的转矩。

在一较佳实施例中：所述外电机为外定子、内转子型永磁同步电机；所述内电机为内定子，外转子型永磁同步电机。

在一较佳实施例中：所述内、外电机同时运行于转矩控制下时，通过最大转矩电流比控制，获得内、外定子最大启动转矩所需给定电流

通过电流传感器采样内、外定子绕组三相电流i_a、i_b、i_c，经三相-两相坐标变换、静止两相-旋转正交坐标变换，得到内、外定子的实际电流i_d、i_q；

将实际电流与给定电流比较，经过PI控制器，得到给定电压再经旋转正交-静止两相坐标变换得到SVPWM输入电压u_α、u_β，判断输入电压矢量所在扇区，产生六路PWM波实现基本电压矢量u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆的作用时间，动态控制内、外定子的IGBT中6个上下管的导通与关断，从而在期望扇区内合成期望输出电压矢量，使内、外定子的实际电压u_d、u_q趋于给定电压

在一较佳实施例中：所述内、外电机同时运行于弱磁控制下时，内、外电机在恒功率区运行，以直流母线电压u_slim为给定，将u_slim与内、外定子的电压比较得Δu_s；

经PI控制器，产生负向d轴电流Δi_d后，控制控制内、外定子的IGBT产生PWM波；内定子的实际电流增大，外定子的实际电流i_q减小，从而电磁转矩T_e减小，使转子在低转矩下可以获得非常高的转速。

在一较佳实施例中：所述当电动汽车高速超车时，外电机采用弱磁控制，以直流母线电压u_slim为给定，产生负向d轴电流Δi_d1，减小转子磁链ψ_r，提升转速ω；同时内电机运行于转矩控制下，通过增加q轴电流增大电磁转矩T_e，增加电机出力矩能力。

相较于现有技术，本发明提出的一种电动汽车的双馈永磁同步电机的控制方法，针对内、外电机双转矩环，双弱磁控制的算法，在电动汽车复杂多样的工作方式中，可以被灵活使用，既可以双转矩控制运行，合理有效的控制转矩输出；又可以双弱磁控制，可靠灵活的控制转速输出；还可以同时执行转矩环控制、弱磁控制，多变量、多方式、多手段地控制电机的运行状态，有利于其适应各种路况，大大提升了电动汽车的性能。

附图说明

图1是实施例中双转矩控制算法结构框图；

图2是实施例中双弱磁控制算法结构框图；

图3是实施例中弱磁加转矩控制算法结构框图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明涉及的新型双定子双馈永磁同步电机主要由三部分组成，从外到内分别为：安装有电枢绕组的外定子、带有永磁体的转子和安装有电枢绕组的内定子。因内外定子之间磁场耦合较小，所以将新型双定子结构永磁同步电机等效为两个永磁同步电机，外电机为外定子、内转子型永磁同步电机，内电机为内定子、外转子型永磁同步电机，对整个电机的控制可以转化为对两个传统永磁同步电机的控制。

一种电动汽车的双馈永磁同步电机的控制方法，针对上述双定子结构的新型电机，将整个电机等效划分为内、外电机，采用双转矩控制、双弱磁控制、单弱磁加单转矩控制相结合的控制方法；

当电动汽车低速启动时，内、外电机同时运行于转矩控制下，转子将获得最大的电磁转矩；

进一步参考图1，该情况下的具体过程为：内、外定子均采用转矩控制，通过最大转矩电流比控制(MTPA)，获得最大启动转矩所需给定电流同时通过电流传感器采样内、外定子绕组三相电流i_a、i_b、i_c，经三相-两相坐标变换、静止两相-旋转正交坐标变换，得到内、外定子的实际电流i_d、i_q并与给定电流比较，经过PI控制器，得到给定电压再经旋转正交-静止两相坐标变换(Park逆变换)得到SVPWM输入u_α、u_β，判断电压矢量所在扇区，产生六路PWM波实现基本电压矢量u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆的作用时间，动态控制IGBT6个上下管的导通与关断，从而在期望扇区内合成期望输出电压矢量，使实际电压u_d、u_q趋于给定电压六路PWM控制IGBT上下管的导通与关断，将直流母线电压逆变为频率可调的三相交流电压，并通入定子三相绕组产生磁场作用于转子永磁体磁场，从而控制转子在给定恒转矩下开始转动，汽车在给定转矩下获得很大的加速度启动，其启动加速时间大大缩短，启动性能大大提升。

当电动汽车高速运行时，内、外电机同时运行于弱磁控制下，减小磁链，在给定直流电压的限制下，以恒功率方式进一步提高转速，且内外电机的弱磁控制共同作用于转子；

进一步参考图2，永磁同步电机中，感应电势随着转速的增加而增加，当电机的端电压达到控制器直流侧电压时，PWM控制器将失去追踪电流的能力。因此定子端电压u_s和相电流i_s，受到逆变器输出电压和输出电流极限的限制。由电流极限圆

电压极限圆

其中E₀＝ωψ_r为感应电势，X_d＝ωL_d为定子d轴电抗，X_q＝ωL_q为定子q轴电抗。

在双定子永磁同步电机的内、外定子同时进入弱磁控制环节时，内、外电机在恒功率区运行，以直流母线电压u_slim为给定，即E₀一定，与定子端电压比较得Δu_s，经PI控制器，产生负向d轴电流Δi_d后，进行如图2所做说明的后续算法过程，控制内外两组IGBT产生PWM波。内定子的实际电流增大，在i_s限制下，外定子的实际电流i_q一定减小，从而电磁转矩T_e减小，由P＝T_e*ω知转子转速ω提高，在E₀一定的限制下转子磁链ψ_r减小。此时内、外转子在低转矩下可以获得非常高的转速特性，极大地扩展了电机的转速范围，很好地适应了电动汽车低速大转矩、高速小转矩的驱动性能要求。

当电动汽车高速超车时，外电机进入弱磁控制而提速，内电机则在转矩控制的作用下增加q轴电流，增加转子的转矩。

进一步参考图3，外电机采用弱磁控制，以直流母线电压u_slim为给定，产生负向d轴电流Δi_d1，减小转子磁链ψ_r，提升转速ω；同时内电机运行于转矩控制下，通过增加q轴电流增大电磁转矩T_e，增加电机出力矩能力。此时转子表现为短时高转速、大转矩的特点，可以实现电动汽车的高速超车，超车过程更快，更稳定。

本发明提出的一种电动汽车的双馈永磁同步电机的控制方法，针对内、外电机双转矩环，双弱磁控制的算法，在电动汽车复杂多样的工作方式中，可以被灵活使用，既可以双转矩控制运行，合理有效的控制转矩输出；又可以双弱磁控制，可靠灵活的控制转速输出；还可以同时执行转矩环控制、弱磁控制，多变量、多方式、多手段地控制电机的运行状态，有利于其适应各种路况，大大提升了电动汽车的性能。

Claims (1)

1.一种电动汽车的双馈永磁同步电机的控制方法，其特征在于：针对双定子结构的新型电机，将整个电机等效划分为内、外电机，采用双转矩控制、双弱磁控制、单弱磁加单转矩控制相结合的控制方法；

当电动汽车低速启动时，内、外电机同时运行于转矩控制下，转子将获得最大的电磁转矩；

当电动汽车高速运行时，内、外电机同时运行于弱磁控制下，减小磁链，在给定直流电压的限制下，以恒功率方式进一步提高转速，且内外电机的弱磁控制共同作用于转子；

当电动汽车高速超车时，外电机进入弱磁控制而提速，内电机则在转矩控制的作用下增加q轴电流，增加转子的转矩；

所述外电机为外定子、内转子型永磁同步电机；所述内电机为内定子，外转子型永磁同步电机；

所述内、外电机同时运行于转矩控制下时，通过最大转矩电流比控制，获得内、外定子最大启动转矩所需给定电流

通过电流传感器采样内、外定子绕组三相电流i_a、i_b、i_c，经三相-两相坐标变换、静止两相-旋转正交坐标变换，得到内、外定子的实际电流i_d、i_q；

将实际电流与给定电流比较，经过PI控制器，得到给定电压再经旋转正交-静止两相坐标变换得到SVPWM输入电压u_α、u_β，判断输入电压矢量所在扇区，产生六路PWM波实现基本电压矢量u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆的作用时间，动态控制内、外定子的IGBT中6个上下管的导通与关断，从而在期望扇区内合成期望输出电压矢量，使内、外定子的实际电压u_d、u_q趋于给定电压

所述内、外电机同时运行于弱磁控制下时，内、外电机在恒功率区运行，以直流母线电压u_slim为给定，将u_slim与内、外定子的电压比较得Δu_s；

经PI控制器，产生负向d轴电流Δi_d后，控制控制内、外定子的IGBT产生PWM波；内定子的实际电流增大，外定子的实际电流减小，从而电磁转矩T_e减小，使转子在低转矩下可以获得非常高的转速；

所述当电动汽车高速超车时，外电机采用弱磁控制，以直流母线电压u_slim为给定，产生负向d轴电流Δi_d1，减小转子磁链ψ_r，提升转速ω；同时内电机运行于转矩控制下，通过增加q轴电流i_q2，增大电磁转矩Te，增加电机出力矩能力。