CN106059431A - 矢量型永磁无刷电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矢量型永磁无刷电机控制方法，电机启动时，采用恒转矩区电流闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制，其中，当电流环比例积分控制器输出的PWM占空比达到设定好的阈值时，采用恒功率弱磁区转矩闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制；在恒功率弱磁区转矩闭环控制方法中，当转矩环比例积分控制器输出的弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW低于设定好的阈值时，采用恒转矩区电流闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制。

Description

矢量型永磁无刷电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制方法，尤其涉及矢量型永磁无刷电机控制方法。

背景技术

纯电动汽车与混合动力汽车由于污染与排放少，且有较高的燃油经济性，成为未来汽车的主要形式。纯电动汽车与混合动力汽车的动力主要使用永磁同步电机和永磁无刷电机，其中永磁无刷电机为具有梯形波反电势的永磁同步电机，又称为直流无刷电机。

目前使用永磁无刷电机作为汽车动力电机采用的是基于霍尔传感器的六步法控制策略。使用六步法控制策略只能实现电机电流的标量控制，若永磁无刷电机为内埋式转子永磁体，其dq轴电感不相等，使用标量控制无法实现电机最大转矩的输出。另外，随着电机转速的提升，转子永磁体的反电势逐渐提高，基于霍尔传感器的标量控制无法实现弱磁功能，电机的提速能力受到限制。在高转速区域的扭矩输出也受到限制。

发明内容

为改善传统标量型永磁无刷电机控制策略转矩输出能力低及无法弱磁扩速的弊端，本发明提出一种矢量型永磁无刷电机控制方法，其使用更高精度的位置传感器如增量编码器或旋转变压器作为电机转子位置传感器，并使用基于该位置传感器的电流矢量控制策略，实现了电机恒转矩区域最大转矩电流比控制以及恒功率区域的弱磁控制，提高了永磁无刷电机转矩输出能力，以及弱磁扩速能力。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种矢量型永磁无刷电机控制方法，其特征在于，

电机启动时，采用恒转矩区电流闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制，其中，当电流环比例积分控制器输出的PWM占空比达到设定好的阈值时，采用恒功率弱磁区转矩闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制；

在恒功率弱磁区转矩闭环控制方法中，当转矩环比例积分控制器输出的弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW低于设定好的阈值时，采用恒转矩区电流闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制。

可选的，所述恒转矩区电流闭环控制方法包括：

S110、获取电机三相电流I_a，I_b和I_c；

S120、获取电机转子位置θ；

S130、根据电机三相电流I_a，I_b和I_c，得到三相电流幅值I_x；

S140、根据转矩指令T_e ^*得到电流指令I_x ^*以及最大转矩电流比控制的超前导通换相角Δθ_MTPA，以实现最大转矩电流比控制；

S150、对电流指令与各相电流幅值进行对比，利用比例积分控制器控制电机输出相应转矩，其中比例积分控制器的输出量为控制功率逆变器的PWM占空比；

S160、将电机转子位置与最大转矩电流比控制的超前导通换相角Δθ_MTPA叠加，得到新的电机转子位置θ^*，并输入至PWM调制模块；

S170、PWM调制模块根据新的电机转子位置θ^*，确定功率逆变器的调制方式，输出相应占空比的PWM调制波形。

可选的，恒功率弱磁区转矩闭环控制方法包括：

S210、获取电机三相电流I_a，I_b和I_c；

S220、获取电机转子位置θ；

S230、通过3/2变换模块获取永磁无刷电机dq轴电流I_d和I_q，并通过永磁无刷电机转矩估算模块获取电机电磁转矩T_{e_est}；

S240、对比T_e ^*与估算的电机电磁转矩T_{e_est}，通过转矩比例积分控制器输出弱磁超前导通换相角Δθ_FW；

S250、将电机转子位置与最大转矩电流比控制超前导通换相角Δθ_MTPA、弱磁超前角Δθ_FW叠加，得到新的电机转子位置θ^*；

S260、PWM调制模块根据电机转子位置θ^*，确定功率逆变器的调制方式，输出相应占空比的PWM调制波形。

可选的，当电流环比例积分控制器输出的PWM占空比达到98％时，锁定电流环比例积分控制器输出的PWM占空比为100％，采用恒功率弱磁区转矩闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制。

可选的，当转矩环比例积分控制器输出的弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW低于-5°时，解除电流环比例积分控制器输出的PWM占空比为100％的锁定，电机恢复到恒转矩区电流闭环控制方法。

本发明具有如下有益效果：本发明解决了传统永磁无刷电机可控转速低的问题，提升了永磁无刷电机的转速范围，并实现全部转速区间的转矩控制。提升了永磁无刷电机恒转矩区的转矩输出能力，提高了控制的电流利用率。使得永磁无刷电动机作为动力电机应用于纯电动及混合动力汽车成为可能。

附图说明

图1为本发明的永磁无刷电机控制装置的结构示意图；

图2为永磁无刷电机控制装置的结构示意图；

图3为三相电流处理模块内部结构图；

图4为转矩电流指令查表模块内部结构图；

图5为永磁无刷电机PWM调制方式示意图；

图6a为永磁无刷电机超前导通调制示意图；

图6b为永磁无刷电机超前导通调制的等效矢量图；

图7为转矩估算模块内部结构图；

图8为恒转矩控制与弱磁控制切换流程图；

图中标记示意为：1-永磁无刷电机；2-功率逆变器；3-电机控制器；4-位置传感器；5-三相电流传感器；6-3/2变换模块；7-转矩估算模块；8-电流处理模块；9-转矩-电流指令转换模块；10-电流环比例积分控制器；11-PWM调制模块；12-转矩环比例积分控制器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种矢量型永磁无刷电机控制方法，其基于永磁无刷电机控制装置，所述永磁无刷电机控制装置包括永磁无刷电机1、功率逆变器2、电机控制器3、电机转子位置传感器4和三相电流传感器5。

所述功率逆变器用于产生三相交流电；所述功率逆变器由MOS管或IGBT等功率元件构成特殊的拓扑结构(三相全桥逆变器)以实现电流从直流到交流的变换。

所述三相电流传感器用于检测永磁无刷电机的三相电流；其一般为霍尔电流传感器。

所述电机转子位置传感器用于检测电机转子实际位置；由高精度位置传感器如旋转变压器、光电编码器等传感器构成，在本实施例中使用旋转变压器作为电机转子位置传感器。

所述电机控制器用于控制功率逆变器；本实施例中，所述电机控制器通过转子位置传感器获取永磁无刷电机转子位置(电角度)，通过三相电流传感器获取永磁无刷电机三相电流，同时控制功率逆变器进行直流交流变换，驱动永磁无刷电机输出指定的转矩。

所述矢量型永磁无刷电机控制方法包括：

当电机刚启动时，采用恒转矩区电流闭环控制方法；所述恒转矩区电流闭环控制方法包括：

S110、通过三相电流传感器获取电机三相电流I_a，I_b和I_c；

S120、通过永磁无刷电机转子位置传感器获取电机转子位置θ；

S130、根据电机三相电流I_a，I_b和I_c，得到三相电流幅值I_x；参见附图2，三相电流处理模块8用于将三相电流转换为电流幅值I_x，三相电流的转换过程如图3所示，因永磁无刷电机三相电流任意时刻均一相为正、一相为负和一相为零，因此，可以将三相电流的每相的幅值取绝对值后相加并除以二，得到三相电流的电流幅值I_x。

S140、根据转矩指令T_e ^*得到电流指令I_x ^*以及最大转矩电流比控制的超前导通换相角Δθ_MTPA，以实现最大转矩电流比控制；参见图2，转矩-电流指令转换模块9获取转矩指令T_e ^*，并将转矩指令T_e ^*转换为对应的电流指令I_x ^*及超前导通换相角Δθ_MTPA。电流指令I_x ^*与超前导通换相角Δθ_MTPA可以通过图4所示的查表单元获得，根据转矩指令T_e ^*，通过查表单元LUT1及LUT2得到对应的电流指令I_x ^*及超前导通换相角Δθ_MTPA。该查表单元可通过实际的电机数据标定得到，以实现永磁无刷电机的最大转矩电流比控制。

S150、对电流指令与各相电流幅值进行对比，利用比例积分控制器控制电机输出相应转矩，其中比例积分控制器的输出量为控制功率逆变器的PWM占空比；即，参照附图2，所述比例积分控制器对比电流指令I_x ^*与实际检测的电流幅值I_x，通过该比例积分控制器的输出来控制功率逆变器，使功率逆变器输出不同占空比P_pwm到PWM调制模块，以控制永磁无刷电机输出相应的转矩。

S160、将电机转子位置与最大转矩电流比控制的超前导通换相角Δθ_MTPA叠加，得到新的电机转子位置θ^*，并输入至PWM调制模块11；

S170、PWM调制模块根据新的电机转子位置θ^*，确定功率逆变器的调制方式，输出相应占空比的PWM调制波形；参考图5，其示出了永磁无刷电机PWM调制方式，将转子电角度一个周期分为6个扇区，在不同的扇区对6个功率器件中的两个进行PWM调制，其他的功率器件不进行调制。当超前导通换相角为0°时，永磁无刷电机处于正常导通模式。而当超前导通换相角大于0°时，输入PWM调制模块的角度提前，当电机转子处于某一扇区时会提前开启下一扇区的调制模式。如图6a永磁无刷电机超前导通调制示意图所示，当电机转子处于第一扇区时，正常调制模式下VT₁VT₂两个功率元件进行调制导通，电流矢量i_s1与q轴重合，当处于超前导通调制模式时，会提前进入第二扇区的调制模式，对VT₂VT₃两个功率元件进行调制导通，电流矢量i_s2方向如图6b所示。如图6b所示，随着超前导通换相角的增加，两个电流矢量的合矢量i_s由q轴正方向逐渐向d轴负方向移动。通过调节超前导通调换相角可以控制电流矢量i_s的方向，实现恒转矩区最大转矩电流比控制，以及恒功率区弱磁控制。

即，在恒转矩区域，使用电流闭环控制模式，永磁无刷电机在恒转矩区域的电磁转矩输出与三相电流幅值和功率逆变器调制超前导通换相角有关，可以通过控制三相电流幅值和超前导通换相角来控制电机转矩输出，并实现最大转矩电流比控制。

随着永磁无刷电机转速升高，反电势逐渐升高，PWM占空比逐渐接近100％，当PWM占空比达到设定好的阈值时电机进入恒功率弱磁控制。

此时PWM输出占空比锁定为100％，通过调节永磁无刷电机功率逆变器的弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW控制电机转矩的输出，开启恒功率弱磁区转矩闭环控制。而当弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW逐渐减小，达到设定好的阈值时，解除PWM占空比的锁定，恢复恒转矩区电流闭环控制。

所述恒功率弱磁区转矩闭环控制方法包括：

S210、通过三相电流传感器获取电机三相电流I_a，I_b和I_c；

S220、通过永磁无刷电机转子位置传感器获取电机转子位置θ；

S230、通过3/2变换模块获取永磁无刷电机dq轴电流I_d和I_q，并通过永磁无刷电机转矩估算模块获取电机电磁转矩T_{e_est}；参考图2，电流3/2变换模块6的功能为将三相电流由静止坐标系变换到旋转坐标系，坐标变换方程为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\θ}+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\θ}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right].$

参考图2和图7，转矩估算模块7获取dq轴电流I_d和I_q，并根据标定好的转矩估算查表数据得到永磁无刷电机此时的转矩输出值T_{e_est}，在另一种实施例中也可以将dq轴电流转换为电流矢量i_s与电流相角i_sθ的形式，并通过标定好的转矩估算查表数据得到电机此时的转矩输出值T_{e_est}。

S240、对比T_e ^*与估算的电机电磁转矩T_{e_est}，通过转矩比例积分控制器12输出弱磁超前导通换相角Δθ_FW；

S250、将电机转子位置与最大转矩电流比控制超前导通换相角Δθ_MTPA、弱磁超前角Δθ_FW叠加，得到新的电机转子位置θ^*；

S260、PWM调制模块根据电机转子位置θ^*，确定功率逆变器的调制方式，输出相应占空比的PWM调制波形。

当电机进入恒功率弱磁区时，开启扭矩闭环控制模式。此时通过超前导通换相方法提升永磁无刷电机转矩输出能力。

恒转矩区电流闭环控制方法与恒功率弱磁区转矩闭环控制方法之间的切换如图8所示，当电流环比例积分控制器输出的PWM占空比达到98％时，锁定电流环比例积分控制器输出的PWM占空比为100％，采用恒功率弱磁区转矩闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制。此时通过转矩闭环比例积分控制器调节功率逆变器的超前导通换相角来控制电机的转矩输出，随着超前导通换相角的增加，恒功率区电机的电磁转矩输出逐渐增加。当转矩指令逐渐下降，超前导通换相角逐渐减小，当转矩环比例积分控制器输出的弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW低于-5°时，解除电流环比例积分控制器输出的PWM占空比为100％的锁定，电机恢复到恒转矩区电流闭环控制方法。

在恒功率弱磁区转矩闭环控制方法中，根据转矩估算模块7输出的转矩估算值，对比转矩指令T_e ^*，并将转矩指令值与转矩估算值的误差输入转矩比例积分控制器12，所述转矩比例积分控制器12所输出的结果为弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW，将弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW与电机转子位置与最大转矩电流比控制超前导通角Δθ_MTPA叠加输入到PWM调制模块。PWM调制模块获取新的电机转子电角度θ^*，并确定功率逆变器的调制方式，控制电机在恒功率弱磁区域输出相应的转矩。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种矢量型永磁无刷电机控制方法，其特征在于，

电机启动时，采用恒转矩区电流闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制，其中，当电流环比例积分控制器输出的PWM占空比达到设定好的阈值时，采用恒功率弱磁区转矩闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制；

在恒功率弱磁区转矩闭环控制方法中，当转矩环比例积分控制器输出的弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW低于设定好的阈值时，采用恒转矩区电流闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制。

2.根据权利要求1所述的矢量型永磁无刷电机控制方法，其特征在于，所述恒转矩区电流闭环控制方法包括：

S110、获取电机三相电流I_a，I_b和I_c；

S120、获取电机转子位置θ；

S130、根据电机三相电流I_a，I_b和I_c，得到三相电流幅值I_x；

S140、根据转矩指令T_e ^*得到电流指令I_x ^*以及最大转矩电流比控制的超前导通换相角Δθ_MTPA，以实现最大转矩电流比控制；

S150、对电流指令与各相电流幅值进行对比，利用比例积分控制器控制电机输出相应转矩，其中比例积分控制器的输出量为控制功率逆变器的PWM占空比；

S160、将电机转子位置与最大转矩电流比控制的超前导通换相角Δθ_MTPA叠加，得到新的电机转子位置θ^*，并输入至PWM调制模块；

S170、PWM调制模块根据新的电机转子位置θ^*，确定功率逆变器的调制方式，输出相应占空比的PWM调制波形。

3.根据权利要求2所述的矢量型永磁无刷电机控制方法，其特征在于，恒功率弱磁区转矩闭环控制方法包括：

S210、获取电机三相电流I_a，I_b和I_c；

S220、获取电机转子位置θ；

S230、通过3/2变换模块获取永磁无刷电机dq轴电流I_d和I_q，并通过永磁无刷电机转矩估算模块获取电机电磁转矩T_{e_est}；

S240、对比T_e ^*与估算的电机电磁转矩T_{e_est}，通过转矩比例积分控制器输出弱磁超前导通换相角Δθ_FW；

S250、将电机转子位置与最大转矩电流比控制超前导通换相角Δθ_MTPA、弱磁超前角Δθ_FW叠加，得到新的电机转子位置θ^*；

S260、PWM调制模块根据电机转子位置θ^*，确定功率逆变器的调制方式，输出相应占空比的PWM调制波形。

4.根据权利要求3所述的矢量型永磁无刷电机控制方法，其特征在于，当电流环比例积分控制器输出的PWM占空比达到98％时，锁定电流环比例积分控制器输出的PWM占空比为100％，采用恒功率弱磁区转矩闭环控制方法对永磁无刷电机进行控制。

5.根据权利要求4所述的矢量型永磁无刷电机控制方法，其特征在于，当转矩环比例积分控制器输出的弱磁控制超前导通换相角Δθ_FW低于-5°时，解除电流环比例积分控制器输出的PWM占空比为100％的锁定，电机恢复到恒转矩区电流闭环控制方法。