CN106208873A - 电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统，包括中央控制器、电压型三相逆变器、速度传感器，中央控制器包括基于速度传感器反馈的异步电机的转速而运行闭环矢量控制算法的FOC模块、基于对异步电机进行转速估计得到的估计转速而运行无速度传感器矢量控制算法的SVC模块、与FOC模块和SVC模块相连接并进行输出选择的选择器、与选择器相连接并根据选择器的输出信号产生驱动信号的SVPWM模块；FOC模块与SVC模块互连，FOC模块自学习电动汽车的传动系统的惯量参数提供给SVC模块，SVC模块根据预设模型修正异步电机的参数提供给FOC模块。本发明将闭环矢量控制和无速度传感器矢量控制相结合，实现差错冗余控制，具有实现简单、可靠性高、控制性能好的特点。

Description

电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统

技术领域

本发明涉及一种驱动电动汽车运行的异步电机的控制驱动方法。

背景技术

当今社会能源危机和环境问题越来越严峻，电动汽车尤其是纯电动汽车作为一种高效、节能、环保的新型交通工具，越来越受到重视。由于异步电机体积小、可靠性高、维护简单、易于制造、价格低廉，以及其控制技术的成熟，因而在电动汽车驱动系统中占据重要地位。

对异步电机的高性能矢量控制需要速度传感器采集速度信息，一般采用光电编码器等速度传感器，然而速度传感器是个容易损坏的部件，降低了可靠性。为了克服这些缺点，异步电机无速度传感器矢量控制技术的研究和发展及其在电动汽车上的应用成为人们关注的焦点。但是无速度传感器矢量控制技术的性能又无法和原有的闭环矢量控制技术相比。因此，异步电机的控制驱动系统采用现有的单一的控制方法，已不能满足需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高了控制性能和可靠性，满足电动汽车异步电机需求的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统，用于驱动电动汽车的异步电机，其包括根据所述电动汽车提供的输入信号产生驱动信号并输出的中央控制器、将所述驱动信号逆变后输送给所述异步电机的电压型三相逆变器、采集所述异步电机的转速并反馈给所述中央控制器的速度传感器，所述电压型三相逆变器的输出的两相电流反馈至所述中央处理器，所述中央控制器包括基于所述速度传感器反馈的所述异步电机的转速而运行闭环矢量控制算法的FOC模块、基于对所述异步电机进行转速估计得到的估计转速而运行无速度传感器矢量控制算法的SVC模块、分别与所述FOC模块和所述SVC模块相连接并进行输出选择的选择器、与所述选择器相连接并根据所述选择器的输出信号产生所述驱动信号而驱动所述电压型三相逆变器的SVPWM模块；

所述FOC模块与所述SVC模块互连，所述FOC模块自学习所述电动汽车的传动系统的惯量参数并提供给所述SVC模块使用，所述SVC模块根据预设模型时时修正所述异步电机的参数并提供给所述FOC模块使用；

所述电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统具有手动模式和自动模式两种工作模式；在所述手动模式下，人员手动选择以所述FOC模块的输出信号或所述SVC模块的输出信号作为所述选择器的输出信号；在所述自动模式下，所述选择器根据所述速度传感器的状态自动选择以所述FOC模块的输出信号或所述SVC模块的输出信号作为所述选择器的输出信号，当所述速度传感器工作正常时，选择所述FOC模块的输出信号作为所述选择器的输出信号，否则选择所述SVC模块的输出信号作为所述选择器的输出信号。

优选的，所述FOC模块自学习所述电动汽车的传动系统的惯量参数的方法为：令所述异步电机以第一目标转矩运行第一时间t₁使速度提升至ω₁，得到所述异步电机的第一运动方程；再令所述异步电机以第二目标转矩运行第一时间t₂使速度提升至ω₂，得到所述异步电机的第二运动方程；联立所述第一运动方程和所述第二运动方程，得到所述惯量参数J；所述SVC模块基于所述惯量参数J对所述异步电机进行转速估计。

优选的，所述SVC模块根据预设模型时时修正所述异步电机的参数的方法为：所述SVC模块采用PI自适应算法辨识所述异步电机的转子时间常数τ_r，从而时时修正所述异步电机的参数；所述FOC模块基于所述转子时间常数τ_r运行闭环矢量控制算法。

优选的，所述SVC模块采用混合磁链观测模型进行磁链观测而得到所述异步电机的转子磁链，并基于所述转子磁链和所述异步电机的运动方程，采用PI自适应调节器估计所述异步电机的转速。

优选的，所述FOC模块的输出信号、所述SVC模块的输出信号均包括转矩电压励磁电压和磁场定向角度θ_s。

优选的，所述FOC模块、所述SVC模块均采用直接转矩控制技术，并采用间接型矢量控制结构。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提出一种双矢量控制的方案，将闭环矢量控制(FOC)和无速度传感器矢量控制(SVC)相结合，实现差错冗余控制，具有实现简单、可靠性高、控制性能好的特点。

附图说明

附图1为本发明的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统的原理框图。

附图2为本发明的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统中FOC模块的控制结构示意图。

附图3为本发明的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统中SVC模块的控制结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：参见附图1所示，一种用于驱动电动汽车的异步电机的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统，包括中央处理器、电压型三相逆变器、速度传感器以及直流电源(DC Source)。中央处理器用于根据电动汽车提供的输入信号产生驱动信号并输出，输入信号包括目标转矩档位信息等；电压型三相逆变器则将中央控制器输出的驱动信号逆变后输送给异步电机，同时，电压型三相逆变器输出的两相电流Ia、Ib反馈至中央处理器；速度传感器采用编码器，它用于采集异步电机的转速ω_r并反馈给中央控制器。

中央处理器采用微控制芯片(DSP、MCU等)，它包括FOC模块、SVC模块、选择器、SVPWM模块。FOC模块基于速度传感器反馈的异步电机的转速而运行闭环矢量控制算法并产生相应的输出信号。SVC模块基于对异步电机进行转速估计得到的估计转速而运行无速度传感器矢量控制算法并产生相应的输出信号。FOC模块与SVC模块互连，FOC模块自学习电动汽车的传动系统的惯量参数并提供给SVC模块使用，SVC模块根据预设模型时时修正异步电机的参数并提供给FOC模块使用。选择器分别与FOC模块和SVC模块相连接并进行输出选择。而SVPWM模块与选择器相连接，它根据选择器的输出信号产生驱动信号来驱动电压型三相逆变器。

该电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统具有两种工作模式：手动模式和自动模式。在手动模式下，人员手动选择以FOC模块的输出信号作为选择器的输出信或以SVC模块的输出信号作为选择器的输出信号。在自动模式下，选择器则根据速度传感器的状态自动选择以FOC模块的输出信号或SVC模块的输出信号作为选择器的输出信号，当速度传感器工作正常时，选择FOC模块的输出信号作为选择器的输出信号，否则选择SVC模块的输出信号作为选择器的输出信号。

FOC模块采用直接转矩控制技术，具有转矩响应快，舒适性好的优点，其结构框图如附图2所示，它采用间接型矢量控制结构。该FOC模块向选择器的输出信号包括转矩电压励磁电压和磁场定向角度θ_s。具体的，异步电机的同步角速度ω_e由公式ω_e＝ω_s+ω_r得到，其中转差角速度转子时间常数ω_r为编码器反馈的异步电机的转速，故磁场定向角度θ_s＝∫ω_edt。这里的转子时间常数无法直接测量，因此，该转子时间常数由SVC模块提供，FOC模块基于转子时间常数τ_r运行闭环矢量控制算法。得到的磁场定向角度θ_s作为FOC模块的输出信号之一，当选择器选择FOC模块时，其被输送至SVPWM模块。目标转矩由电动汽车的油门踏板开度和驾驶意图决定，其输入FOC模块中；电动汽车的励磁给定单元给出优化的励磁磁链也输入到FOC模块中。因此可以通过得到转矩电流通过得到励磁电流其中，L_r为异步电机的转子电感，N_p为异步电机的极对数，L_m为异步电机的互感，s为微分算子。电压型三相逆变器反馈至中央控制器的电流i_a、i_b一起经过Clark和Park矩阵坐标变换而得到i_sd、i_sq，这两个电流i_sd、i_sq经过低通滤波除去干扰后，分别与励磁电流转矩电流进行叠加，叠加后得到的两个电流信号分别经过PI控制器后得到电压信号u_sd、u_sq。这两个电压信号u_sd、u_sq分别与前馈电压u_sdc、u_sqc进行叠加，从而得到励磁电压和转矩电压前馈电压u_sdc、u_sqc按照异步电机的解耦方程得到。该励磁电压和转矩电压作为FOC模块的另外两个输出信号，当选择器选择FOC模块时，其被输送至SVPWM模块。上述电流运算过程采用双环结构，并采用前馈补偿方案。转矩电压励磁电压和磁场定向角度θ_s被输送到SVPWM模块后，SVPWM模块产生驱动信号，经驱动电路驱动功率器件，从而带动异步电机平滑运转。

上述FOC模块同时自学习电动汽车的传动系统的惯量参数后提供给SVC模块，惯量参数的自学习基于异步电机的运动方程：其中，T_L为负载转矩，J为转动惯量，N_p为极对数。具体方法为：1、在选择FOC模块时，静止启动，令异步电机以第一目标转矩运行第一时间t₁，使速度提升至ω₁，得到异步电机的第一运动方程：2、再令异步电机以第二目标转矩运行第一时间t₂使速度提升至ω₂，得到异步电机的第二运动方程3、联立第一运动方程和第二运动方程，得到由此得到惯量参数J并提供给SVC模块。

SVC模块也采用直接转矩控制技术，以及间接型矢量控制结构，如附图3所示。该SVC模块向选择器的输出信号包括转矩电压励磁电压和磁场定向角度θ_s。具体的，异步电机的同步角速度ω_e由公式得到，其中转差角速度转子时间常数 为估计的异步电机的转速，磁场定向角度θ_s＝∫ω_edt。得到的磁场定向角度θ_s作为SVC模块的输出信号之一，当选择器选择SVC模块时，其被输送至SVPWM模块。目标转矩由电动汽车的油门踏板开度和驾驶意图决定，其输入SVC模块中；电动汽车的励磁给定单元给出优化的励磁磁链也输入到SVC模块中。因此可以通过得到转矩电流通过得到励磁电流其中，L_r为异步电机的转子电感，N_p为异步电机的极对数，L_m为异步电机的互感，s为微分算子。电压型三相逆变器反馈至中央控制器的电流i_a、i_b一起经过Clark和Park矩阵坐标变换而得到i_sd、i_sq，这两个电流i_sd、i_sq经过低通滤波除去干扰后，分别与励磁电流转矩电流进行叠加，叠加后得到的两个电流信号分别经过PI控制器后得到电压信号u_sd、u_sq。这两个电压信号u_sd、u_sq分别与前馈电压u_sdc、u_sqc进行叠加，从而得到励磁电压和转矩电压前馈电压u_sdc、u_sqc按照异步电机的解耦方程得到。该励磁电压和转矩电压作为SVC模块的另外两个输出信号，当选择器选择SVC模块时，其被输送至SVPWM模块。上述电流运算过程采用双环结构，并采用前馈补偿方案。转矩电压励磁电压和磁场定向角度θ_s被输送到SVPWM模块后，SVPWM模块产生驱动信号，经驱动电路驱动功率器件，从而带动异步电机平滑运转。

SVC模块通过磁链观测模块和速度估计模块来得到估计的异步电机的转速即SVC模块采用混合磁链观测模型进行磁链观测而得到异步电机的转子磁链，并基于转子磁链和异步电机的运动方程，采用PI自适应调节器估计异步电机的转速

磁链观测模块的实现方法为：SVC模块采用混合磁链观测模型进行磁链观测而得到异步电机的转子磁链。混合磁链观测模型为：

${\mathrm{\ψ}}_{sd}^v=\∫(u_{sd}-i_{sd}\·R_s-u_{comp\_sd})dt$

${\mathrm{\ψ}}_{sq}^v=\∫(u_{sq}-i_{sq}\·R_s-u_{comp\_sq})dt$

其中，补偿量u_{comp_sd}，u_{comp_sq}由PI调节器调节磁链误差实现，具体如下式所示：

其中

$u_{comp\_sq}=(k_p^{flux}+\frac{K_I^{flux}}{s})({\mathrm{\ψ}}_{sq}^v-{\mathrm{\ψ}}_{sq}^i),{\mathrm{\ψ}}_{sq}^i={\mathrm{\ψ}}_d^{*}\·sin\left({\mathrm{\θ}}_s\right)$

为分别为调节器比例系数和积分系数。

因此磁链观测的结果为：

${\mathrm{\ψ}}_{rd}=-\frac{L_s{L}_r-L_m^2}{L_m}{i}_{sd}+\frac{L_r}{L_m}{\mathrm{\ψ}}_{sd}^v$

${\mathrm{\ψ}}_{rq}=-\frac{L_s{L}_r-L_m^2}{L_m}{i}_{sq}+\frac{L_r}{L_m}{\mathrm{\ψ}}_{sq}^v$

ψ_rd为转子磁链d轴分量，ψ_rq为转子磁链q轴分量。

速度估计模块的实现方法为：转速估计方程根据电机运动方程原理得到。电机运动方程为：

$\frac{J}{N_p}\·\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=T_e^{*}-T_L$

根据磁场定向原理，转速估计采用PI自适应调节器，可得转速方程：

${\mathrm{\ω}}_r^e=(k_p+\frac{k_i}{s})(i_{sq}^{*}-\widehat{i_{sq}})$

其中负载转矩为：k_p为转速估计比例系数，k_i为转速估计积分系数。

转速估计采用PI自适应调节器，该方法参数鲁棒性好，有一定自适应能力，效果良好。SVC模块在对异步电机进行转速估计时采用的惯量参数J来自于FOC模块。

SVC模块根据预设模型时时修正异步电机的参数的方法为：SVC模块采用PI自适应算法辨识异步电机的转子时间常数τ_r，从而时时修正异步电机的参数；FOC模块基于转子时间常数τ_r运行闭环矢量控制算法。具体的，异步电机转子时间常数为不能直接测量，而且其值容易随着温度和磁场饱和度发生变化。运用PI自适应算法辨识转子时间常数可确保转子磁场定向角可以不受温度、磁场饱和度、铁心损耗和电机运行工况的影响，确保磁场定向准确。转子磁场按d轴方向定向，定向准确时q轴转子磁链为零。以q轴转子磁链是否等于零作为参考依据，在控制器内设置的转子时间参数初始值基础上在线调整其值来提高转子磁场定向角的准确性。误差函数ε构造方法如下：

ε＝ψ_{rq_ref}-ψ_rq＝0-ψ_rq＝ψ_rq

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_r=(k_{p\_tr}+\frac{k_{i\_tr}}{s})\mathrm{\ϵ}\\ {\mathrm{\τ}}_r={\mathrm{\τ}}_{r\_ref}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_r\end{array}\right.$

k_{p_tr}为转子时间常数在线调整模型比例系数，k_{i_tr}为转子时间常数在线调整模型积分系数，τ_{r_ref}为初始转子时间常数。

将校正后的新值τ_r送入转差率计算模块得到新的转差率指令ω_s。估计的转子时间常数τ_r同时输送到FOC模块，更新τ_r计算。转子时间常数在线辨识可增强磁场定向的准确性，提高动态性能。

上述中央控制器中的两种算法，既可以独立运行，又相互辅助，从而提高了性能。SVPWM模块采用优化的SVPWM技术驱动逆变器输出，可有效较低损耗，提高效率。

电压型三相逆变器为标准三相电压型逆变器拓扑，采用MOSFET并联结构。

上述控制驱动系统将闭环矢量控制(FOC)和无速度传感器矢量控制(SVC)相结合，两种控制相互修正，相互辅助，可提高控制性能，实现差错冗余控制，具有实现简单、可靠的特点。电动汽车异步电机矢量控制是对电机进行解耦控制，将相互耦合的电机电流解耦变换为正交的励磁和转矩两个分量，可直接对转矩进行控制，响应快，转矩控制精度高，稳定性好。电动汽车在公路上行驶时路况复杂，会有急刹车、快速启动等操作，直接转矩控制方案转矩响应快，完全可满足电动汽车驱动系统的要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统，用于驱动电动汽车的异步电机，其包括根据所述电动汽车提供的输入信号产生驱动信号并输出的中央控制器、将所述驱动信号逆变后输送给所述异步电机的电压型三相逆变器、采集所述异步电机的转速并反馈给所述中央控制器的速度传感器，所述电压型三相逆变器的输出的两相电流反馈至所述中央处理器，其特征在于：所述中央控制器包括基于所述速度传感器反馈的所述异步电机的转速而运行闭环矢量控制算法的FOC模块、基于对所述异步电机进行转速估计得到的估计转速而运行无速度传感器矢量控制算法的SVC模块、分别与所述FOC模块和所述SVC模块相连接并进行输出选择的选择器、与所述选择器相连接并根据所述选择器的输出信号产生所述驱动信号而驱动所述电压型三相逆变器的SVPWM模块；

所述FOC模块与所述SVC模块互连，所述FOC模块自学习所述电动汽车的传动系统的惯量参数并提供给所述SVC模块使用，所述SVC模块根据预设模型时时修正所述异步电机的参数并提供给所述FOC模块使用；

所述电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统具有手动模式和自动模式两种工作模式；在所述手动模式下，人员手动选择以所述FOC模块的输出信号或所述SVC模块的输出信号作为所述选择器的输出信号；在所述自动模式下，所述选择器根据所述速度传感器的状态自动选择以所述FOC模块的输出信号或所述SVC模块的输出信号作为所述选择器的输出信号，当所述速度传感器工作正常时，选择所述FOC模块的输出信号作为所述选择器的输出信号，否则选择所述SVC模块的输出信号作为所述选择器的输出信号。

2.根据权利要求1所述的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统，其特征在于：所述FOC模块自学习所述电动汽车的传动系统的惯量参数的方法为：令所述异步电机以第一目标转矩运行第一时间t₁使速度提升至ω₁，得到所述异步电机的第一运动方程；再令所述异步电机以第二目标转矩运行第一时间t₂使速度提升至ω₂，得到所述异步电机的第二运动方程；联立所述第一运动方程和所述第二运动方程，得到所述惯量参数J；所述SVC模块基于所述惯量参数J对所述异步电机进行转速估计。

3.根据权利要求1所述的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统，其特征在于：所述SVC模块根据预设模型时时修正所述异步电机的参数的方法为：所述SVC模块采用PI自适应算法辨识所述异步电机的转子时间常数τ_r，从而时时修正所述异步电机的参数；所述FOC模块基于所述转子时间常数τ_r运行闭环矢量控制算法。

4.根据权利要求1所述的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统，其特征在于：所述SVC模块采用混合磁链观测模型进行磁链观测而得到所述异步电机的转子磁链，并基于所述转子磁链和所述异步电机的运动方程，采用PI自适应调节器估计所述异步电机的转速。

5.根据权利要求1所述的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统，其特征在于：所述FOC模块的输出信号、所述SVC模块的输出信号均包括转矩电压励磁电压和磁场定向角度θ_s。

6.根据权利要求1所述的电动汽车异步电机双矢量控制驱动系统，其特征在于：所述FOC模块、所述SVC模块均采用直接转矩控制技术，并采用间接型矢量控制结构。