CN105703688B - 防止逆变器处于饱和状态的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种防止逆变器处于饱和状态的控制方法，包括：对直轴请求电流i_dref和交轴请求电流i_qref分别进行PID控制，得到直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref；根据逆变器的工作状态对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref进行调整，得到调整后直轴电压v_d和调整后交轴电压v_q，以使逆变器工作于未饱和状态。本发明的控制方法能够防止逆变器工作于饱和状态，使电机的控制更加稳定，对逆变器的保护更加有效。

Description

防止逆变器处于饱和状态的控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机的控制技术领域，具体地说，涉及一种防止逆变器处于饱和状态的控制方法。

背景技术

随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论以及稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电动机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点，又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，因而它是近几年研究较多并在各个领域中应用越来越广泛的一种电动机。特别是随着当前电动汽车及混合动力汽车突飞猛进的发展，永磁同步电动机在新能源汽车领域得到了非常广泛的应用。

电池母线电压是永磁同步电机及其控制系统中的一个重要参数,其值不仅对控制系统中的整流器和逆变器的容量、成本等有影响，而且对永磁同步电机的设计及运行性能都有很大影响。为了提高永磁同步电机中电池母线电压的利用率，各种提供电池母线电压利用率的方法应运而生，但是为此也带来了一些问题，例如如果电压利用率的系数选择不当将会导致电压过高，超过逆变器的额定值，使逆变器达到饱和。另外，为了增加永磁同步电机系统的稳定性，在系统中增加了PID(比例(Proportion)、积分(Integration)、微分(Differentiation))控制器，但是如果对直轴和交轴电流的PID调节控制不稳的话，就会导致直轴和交轴电压过高，当电压值超过逆变器的承受能力时，逆变器也会饱和，而逆变器饱和很容易导致逆变器元器件的损坏。

针对上述现象引起的逆变器饱和，目前还没有有效的解决方案。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于永磁同步电机逆变器饱和导致器件损坏，从而提出一种防止逆变器工作于饱和状态，使电机的控制更加稳定，对逆变器的保护更加有效的防止逆变器处于饱和状态的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种防止逆变器处于饱和状态的控制方法，包括：

对直轴请求电流i_dref和交轴请求电流i_qref分别进行PID控制，得到直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref；

根据逆变器的工作状态对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref进行调整，得到调整后直轴电压v_d和调整后交轴电压v_q，以使逆变器工作于未饱和状态。

上述方法中，所述根据逆变器的工作状态包括根据直轴请求电压v_dref、交轴请求电压v_qref及直流母线电压v_{dc_link}判断逆变器是否处于饱和状态。

上述方法中，所述根据直轴请求电压v_dref、交轴请求电压v_qref及直流母线电压v_{dc_link}判断逆变器是否处于饱和状态，包括：

计算直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref的平方和；并与直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一比较大小；

若所述平方和小于等于直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一，则逆变器处于不饱和状态；

若所述平方和大于直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一，则逆变器处于饱和状态。

上述方法中，若逆变器处于不饱和状态，则所述根据所述状态对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref进行调整，包括：

限制直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref的变化率，使直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref在预设阈值范围内变动。

上述方法中，若逆变器处于饱和状态，则所述根据所述状态对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref进行调整，包括：

对直轴请求电压v_dref进行开环控制；

对交轴请求电压v_qref进行扭矩补偿控制。

上述方法中，所述对直轴请求电压v_dref进行开环控制，包括：

将逆变器达到饱和时前一周期的直轴请求电压v_dref作为调整后直轴电压v_d。

上述方法中，所述对交轴电压v_qref进行扭矩补偿控制，包括：

根据直轴实际电流i_d和交轴实际电流i_q得到电机的实际扭矩T_computed；

对请求扭矩T_command和所述实际扭矩T_computed的差值进行PI控制，得到交轴补偿电压v_{q_compensation}；

根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压v_q。

上述方法中，所述根据直轴实际电流i_d和交轴实际电流i_q得到电机的实际扭矩T_computed，包括，

采用如下公式计算得到电机的实际扭矩：

其中，i_d和i_q分别为直轴实际电流和交轴实际电流，T_computed为电机的实际扭矩，L_d和L_q分别为直轴电感和交轴电感，p为电机的极对数，ψ_m为电机转子永磁磁链。

上述方法中，所述根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压v_q，包括：

调整后交轴电压v_q为交轴补偿电压v_{q_compensation}与逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref之和。

上述方法中，所述根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压之后，还包括：

验证调整后交轴电压v_q是否使逆变器工作于未饱和状态；

若调整后交轴电压v_q使逆变器工作于未饱和状态，则保持调整后交轴电压v_q；

若调整后交轴电压v_q仍使逆变器工作于饱和状态，则对交轴请求电压v_qref进行开环控制。

上述方法中，所述对交轴请求电压v_qref进行开环控制，包括：

将逆变器达到饱和时前一周期的交轴请求电压v_qref作为调整后交轴电压v_q。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明的防止逆变器处于饱和状态的控制方法，通过对PID控制器输出的直轴请求电压和交轴请求电压进行调整，使逆变器工作于未饱和状态，尽量避免由于PID控制不稳导致的逆变器饱和，使电机的控制更加稳定，对逆变器的保护更加有效，能够有效避免因为逆变器的饱和而引起的逆变器元器件损坏。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的整体方案示意图；

图2是本发明在逆变器没有饱和时的控制方案示意图；

图3是本发明在逆变器饱和时的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的防止逆变器处于饱和状态的控制方法用于永磁同步电机的控制，如图1所示，是本发明控制方法的整体方案示意图。图1中，i_dref和i_qref分别是直轴请求电流和交轴请求电流；i_a和i_c分别是A相电流和C相电流；i_d和i_q分别是直轴实际电流和交轴实际电流；v_dref和v_qref分别直轴实际电流i_d和交轴实际电流i_q经过PI控制后的直轴请求电压和交轴请求电压；v_{dc_link}是直流母线电压；v_d和v_q分别是INVERSE PARK的输入电压和ICLARKE的输入电压，即调整后直轴电压和调整后交轴电压，在本发明中，为了防止逆变器工作于饱和装置，调整后直轴电压v_d和调整后交轴电压v_q根据逆变器是否饱和，其值采用不同计算方法。

所述防止逆变器处于饱和状态的控制方法，包括：

对直轴请求电流i_dref和交轴请求电流i_qref分别进行PID控制，得到直轴请求电压i_dref和交轴请求电压i_qref；

根据逆变器的工作状态对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref进行调整，得到调整后直轴电压v_d和调整后交轴电压v_q，以使逆变器工作于未饱和状态。如图3所示，具体步骤包括：

步骤001：根据直轴请求电压v_dref、交轴请求电压v_qref及直流母线电压v_{dc_link}判断逆变器是否处于饱和状态，即_dref×v_dref+v_qref×v_qref≤v_{dc_link}×v_{dc_link}/3？

计算直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref的平方和；并与直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一比较大小。

步骤002：若v_dref×v_dref+v_qref×v_qref≤v_{dc_link}×v_{dc_link}/3，即所述平方和小于等于直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一，则逆变器处于不饱和状态，执行步骤003。

步骤003：如图1所示，若逆变器处于不饱和状态，此时需要对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref的变化率进行限制，使直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref在预设阈值范围内变动，不允许其发生大幅度的变化，以防止由于PI控制器控制不稳导致逆变器的饱和，限制后的值为v_{dref_lim}和v_{qref_lim}。

其中，所述对v_dref和v_qref的变化率进行限制是指限制扭矩增加的步长，即保证在一个周期之内扭矩的增加或者减小值不能超过一定值，执行步骤004。

步骤004:保存对v_dref和v_qref的变化率进行限制后的值v_{dref_lim}和v_{qref_lim}，供逆变器饱和时开环控制时使用。

步骤005：若vv_dref×v_dref+v_qref×v_qref>v_{dc_link}×v_{dc_link}/3，即所述平方和大于直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一，则逆变器处于饱和状态，执行步骤006。

步骤006：若逆变器处于饱和状态，此时首先对直轴电压采用开环控制，将逆变器达到饱和时前一周期的直轴请求电压v_dref作为调整后直轴电压v_d。

步骤007：根据直轴实际电流i_d和交轴实际电流i_q得到电机的实际扭矩T_computed，采用如下公式计算得到电机的实际扭矩：

其中，i_d和i_q分别为直轴实际电流和交轴实际电流，T_computed为电机的实际扭矩，L_d和L_q分别为直轴电感和交轴电感，p为电机的极对数，ψ_m为电机转子永磁磁链。

步骤008：计算请求扭矩与估算扭矩差值，T_error＝T_command-T_computed，其中T_command是整车控制器的发给电机控制器MCU的请求扭矩，由MCU从CAN总线上获取这个扭矩值。

步骤009：对请求扭矩T_command和所述实际扭矩T_computed的差T_error值进行PI控制。

步骤010：得到交轴补偿电压v_{q_compensation}。

步骤011：对交轴请求电压v_qref进行扭矩补偿控制，根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压v_q＝v_{qref_lim}+v_{q_compensation}。

步骤012：再次根据直轴请求电压v_dref、交轴请求电压v_qref及直流母线电压v_{dc_link}判断逆变器是否处于饱和状态，即_dref×v_dref+v_qref×v_qref≤v_{dc_link}×v_{dc_link}/3？对上述直轴请求电压开环控制及交轴请求电压扭矩补偿控制得到的v_d和v_q进行校验，验证以上获得的调整后交轴电压v_q是否使逆变器工作于未饱和状态。

步骤013：若v_dref×v_dref+v_qref×v_qref≤v_{dc_link}×v_{dc_link}/3，即所述平方和小于等于直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一，则逆变器处于不饱和状态，执行步骤014。

步骤014：保持调整后交轴电压v_q＝v_{qref_lim}+v_{q_compensation}。

步骤015：若v_dref×v_dref+v_qref×v_qref>v_{dc_link}×v_{dc_link}/3，即所述平方和大于直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一，则逆变器处于饱和状态，执行步骤016。

步骤016：若逆变器继续处于不饱和状态，此时调整后交轴电压v_q不能采用v_{qref_lim}+v_{q_compensatio}，而是，还要对交轴电压采用开环控制，将逆变器达到饱和时前一周期的直轴请求电压v_qref作为调整后交轴电压v_q。此时,直轴请求电压和交轴请求电压均采用开环控制，直到逆变器恢复不饱和。

进行了以上控制之后，逆变器将平稳运行于不饱和状态，能够顺利进行后续控制步骤：

将调整后直轴电压v_d和调整后交轴电压v_q输入INVERSE PARK变换器和ICLARKE变换器；对经过INVERSE PARK变换器和ICLARKE反变换器变换后的调整后直轴电压v_d和调整后交轴电压v_q进行SVPWM控制，产生PWM信号驱动电机运转。

由于直轴电压和交轴电压决定了PWM的占空比和逆变器的输出电压，同时决定了逆变器的饱和与否，因此对直轴电压和交轴电压进行监测和控制是非常必要的，本发明的控制方法通过对直轴电压和交轴电压的监控、调整，防止过调试，防止逆变器工作于饱和状态，使电机控制更加稳定，对逆变器的保护更加有效。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种防止逆变器处于饱和状态的控制方法，其特征在于，包括：

对直轴请求电流i_dref和交轴请求电流i_qref分别进行PID控制，得到直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref；

根据逆变器的工作状态对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref进行调整，得到调整后直轴电压v_d和调整后交轴电压v_q，以使逆变器工作于未饱和状态；

所述根据逆变器的工作状态对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref进行调整包括：

若逆变器处于不饱和状态，对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref的变化率进行限制，使直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref在预设阈值范围内变动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据逆变器的工作状态包括根据直轴请求电压v_dref、交轴请求电压v_qref及直流母线电压v_{dc_link}判断逆变器是否处于饱和状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据直轴请求电压v_dref、交轴请求电压v_qref及直流母线电压v_{dc_link}判断逆变器是否处于饱和状态，包括：

计算直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref的平方和；并与直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一比较大小；

若所述平方和小于等于直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一，则逆变器处于不饱和状态；

若所述平方和大于直流母线电压v_{dc_link}的平方的三分之一，则逆变器处于饱和状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，若逆变器处于饱和状态，则所述根据所述状态对直轴请求电压v_dref和交轴请求电压v_qref进行调整，包括：

对直轴请求电压v_dref进行开环控制；

对交轴请求电压v_qref进行扭矩补偿控制。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对直轴请求电压v_dref进行开环控制，包括：

将逆变器达到饱和时前一周期的直轴请求电压v_dref作为调整后直轴电压v_d。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对交轴电压v_qref进行扭矩补偿控制，包括：

根据直轴实际电流i_d和交轴实际电流i_q得到电机的实际扭矩T_computed；

对请求扭矩T_command和所述实际扭矩T_computed的差值进行PI控制，得到交轴补偿电压v_{q_compensation}；

根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压v_q。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对交轴电压v_qref进行扭矩补偿控制，包括：

根据直轴实际电流i_d和交轴实际电流i_q得到电机的实际扭矩T_computed；

对请求扭矩T_command和所述实际扭矩T_computed的差值进行PI控制，得到交轴补偿电压v_{q_compensation}；

根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压v_q。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据直轴实际电流i_d和交轴实际电流i_q得到电机的实际扭矩T_computed，包括，

采用如下公式计算得到电机的实际扭矩：

其中，i_d和i_q分别为直轴实际电流和交轴实际电流，T_computed为电机的实际扭矩，L_d和L_q分别为直轴电感和交轴电感，p为电机的极对数，ψ_m为电机转子永磁磁链。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压v_q，包括：

调整后交轴电压v_q为交轴补偿电压v_{q_compensation}与逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref之和。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压v_q，包括：

调整后交轴电压v_q为交轴补偿电压v_{q_compensation}与逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref之和。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压v_q，包括：

调整后交轴电压v_q为交轴补偿电压v_{q_compensation}与逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref之和。

12.根据权利要求6－11任一所述的方法，其特征在于，所述根据交轴补偿电压v_{q_compensation}及逆变器达到饱和时前一周期得到的交轴请求电压v_qref得到调整后交轴电压之后，还包括：

验证调整后交轴电压v_q是否使逆变器工作于未饱和状态；

若调整后交轴电压v_q使逆变器工作于未饱和状态，则保持调整后交轴电压v_q；

若调整后交轴电压v_q仍使逆变器工作于饱和状态，则对交轴请求电压v_qref进行开环控制。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述对交轴请求电压v_qref进行开环控制，包括：

将逆变器达到饱和时前一周期的交轴请求电压v_qref作为调整后交轴电压v_q。