CN107046386A - 一种用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新方法,包括以下步骤：(1)在基速以下时采用数据查表法。(2)在高速时，到达弱磁时利用基速时采集的MTPA数据的方法并通过实验测试得出两者不同情况的转矩误差。(3)在以上步骤(1)、步骤(2)中加入Id和Iq分别进行PI控制。(4)采用基速以下的MTPA控制时，采用查表法。(5)弱磁控制时，高速与基速的差别是在铁损和转动惯量，而加入y＝kx+b补偿方法。(6)PI控制分为低速，中速和高速三种阶段。本发明的优点是：1.将不同速度分解为三个部分，在不同部分分别设置不同的PI参数，增加了控制的灵活性和实用性。可以线性的补偿因为弱磁引起的转矩误差。

Description

一种用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新 方法
技术领域
本发明涉及一种用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新方法,属于电动汽车技术领域。
背景技术
目前，能源危机与环境污染越来越受关注，在全球寻求降低能源损耗的新途径中，我国大力发展新能源汽车的政策应运而生，而纯电动汽车是主要发展方向，在纯电动车动力总成中，驱动部分，用到的最多的仍然是永磁同步电机，这是区别于其他类型的汽车产品的地方所在，在决定着电机是否良好工作的电机控制器方面，目前国内的控制器大多是工业性，由于路况复杂，实时性要求高等特点，使得汽车级电机控制器较工业型要求更高，而常规的工业型电机电机控制器应用在纯电动汽车时，存在高速运行时电机振动大，响应速度慢等问题。例如，公开号为CN106330007A的专利申请公开了一种控制汽车电动后备门防夹反应时间的方法及装置，该方法包括：计算驱动电机标定速度与实际速度之间的差值△ω，和实际电流与标定电流之间的差值△I；若△ω大于第一转速防夹阈值，或△I大于第一防夹阈值，进入预防夹模式；调整驱动电机两端的占空比，以增大驱动电机的电流，更新△ω和△I；若预防夹模式下的△ω未减小到第二转速防夹阈值，判断预防夹模式下的△I是否大于第二防夹阈值，进入深度预防夹模式；再次调整占空比，以再次增大驱动电机的电流，再次更新△I；若深度预防夹模式下的△I大于第三防夹阈值，则判断进行防夹。该方法及装置可以解决汽车电动后备门判断防夹反应时间过长，容易夹伤用户的问题。
例如，公开号为CN105610346A的专利申请公开了一种超声波电机转速标定的控制方法，经过高低温测试得到电机定子的频率-温度和热敏电阻-温度曲线，再由电机在任意一设定转速工作时所对应的工作频率和热敏电阻值反推电机达到设定转速时的温度，计算该温度下的扫描谐振频率；把工作频率与扫描谐振频率之间的差值补偿到谐振频率曲线中得到工作频率曲线；标定一台驱动器的频率控制字曲线，计算不同温度下电机的工作频率控制字；根据恒流源可以计算不同温度下热敏电阻两端的电压，并将其转化为AD值；最后获得电机标定所需的控制参数。
例如，公开号为CN105015180A的专利申请公开了一种软件标定式打标电机，包括电机和智能控制器，所述的智能控制器位于电机的一侧，所述的智能控制器包括打标控制头、打标后标识识别装置、标识对比智能判别系统和标定载体。本发明通过打标控制头来实现电机标定功能，通过标识对比智能判别系统来接收打标控制头和打标后标识识别装置的动作和信息，监控打标完成的质量，并及时提醒用户处理标定载体上的标识。另外，在汽车运行于低速爬坡，由于效率较低与短时间冲刺等问题，在低速时，依然希望电机运行在高速范围，而常规的电机控制器，在低速时存在明显的振动，通过变速箱，使电机运行在高速，可以有效解决此问题。
综上所述，在现有技术中，汽车级电机控制器当运行于高速时，需要特殊的处理，而目前国内大多采用的是查表法，其适应路况的的快速反应能力以及控制效果存在着缺陷。这就需要一种新的弱磁控制方法，适应在汽车级电机控制器，满足复杂路况的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新方法，本发明所述方法能够有效地解决MTPA控制向弱磁控制转化存在的震动，同时，当电机运行在高速时，具有控制效果良好、性能稳定、振动小、反应速度快、适用性强的特点。MTPA是单位最优转矩/电流比。本发明所述方法包括以下步骤：
(1)在基速以下时，采用数据查表法，即利用实验测试不同电流下的Id和Iq的值，得出对应的转矩，进而分析出最优转矩与Id和Iq的曲线，作为MTPA控制的数据点。
(2)在高速时，到达弱磁时利用基速时采集的MTPA数据的方法并通过实验测试得出两者不同情况的转矩误差，并对误差进行分析，进行相应的控制。
(3)在以上步骤(1)、步骤(2)中加入Id和Iq分别进行PI控制。
(4)进一步地，采用基速以下的MTPA控制时，采用查表法，便于快速和高效率控制。
(5)进一步地，弱磁控制时，高速与基速的差别是在铁损和转动惯量，而加入y＝kx+b补偿方法，其中，k为铁损的系数，b为阻尼系数，y为基速时转矩值与高速转矩的误差，并进行数据补偿以达到良好的控制效果。
(6)进一步地，PI控制分为低速，中速和高速三种阶段，三段时分别采用不同的PI参数以避免因电机工作情况不同造成的参数的不同。
所述Id为直轴励磁电流，所述Iq为交轴励磁电流；转矩公式为：
P[Ψf*Iq+(Ld-Lq)*Id*Iq]
其中，P为极对数，Ψf为永磁体的感应磁链，Ld与Lq为定子上的电感；
最优转矩与Id和Iq的关系是：最优转矩控制即使单位电流输出最大转矩控制方式，因为凸极式电机的不对称性，需要调整Id和Iq的大小，使最小的电流输出最大的扭矩。
PI调节，其中，P为比例部分，I是积分部分，调节这两个参数可以改进控制性能的响应时间和稳态误差。
铁损系数是由转速升高和电流增大后，引起的磁场损耗增加的一个系数，阻尼系数是由于转子与定子的惯性延迟即定子磁场与感应磁场引起的转矩延迟引起的。
其中，0-2000r/min为低速，2000r/min-4000r/min为中速，4000r/min-5000r/min为高速；其中，r/min指的是转/每分钟,低于2000转/分钟本发明定义为低速运行；在2000转/分钟-4000转/分钟本发明定义为中速运行；在4000转/分钟-5000转/分钟本发明定义为高速运行。
与现有技术相比，本发明所述方法的优点是：
1.将不同速度分解为三个部分，在不同部分分别设置不同的PI参数，因为随着转速不同如低速、中速、高速，由于转动惯量和电气参数的变化，会导致不同的控制效果，通过三个的分段，增加了控制的灵活性和实用性。
2.电机在基速以下时，采用MTPA数据采集，当进入弱磁后，随着转速的升高，增加了Id回路的电磁电流，同时，随着转速的升高，电机本身的阻尼系数也会有变化，使得MTPA时转矩补偿存在着误差。在弱磁部分仍然采用MTPA，由于转速升高和电气参数变化，会存在着转矩误差，如果令y＝kx+b，其中，y为采用MTPA数据采集时的误差的转矩，k为铁损，x为补偿Iq轴电流，b为阻尼系数，这样，可以线性的补偿因为弱磁引起的转矩误差。y＝kx+b中的x为待求的Iq轴电流；
3.在弱磁以上时，进行Id的PI调节，和Iq的PI的调节，分别进行控制，使其灵活控制。
附图说明
图1是本发明所述方法的基速下的控制示意图；
图2是本发明所述方法的弱磁时补偿的控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述方法的实施方式进行详细描述。本发明所述方法包括以下步骤：
(1)在基速以下时，采用数据查表法，即利用实验测试不同电流下的Id和Iq的值，得出对应的转矩，进而分析出最优转矩与Id和Iq的曲线，作为MTPA控制的数据点。
(2)在高速时，到达弱磁时利用基速时采集的MTPA数据的方法并通过实验测试得出两者不同情况的转矩误差，并对误差进行分析，进行相应的控制。
(3)在以上步骤(1)、步骤(2)中加入Id和Iq分别进行PI控制。
(4)进一步地，采用基速以下的MTPA控制时，采用查表法，便于快速和高效率控制。
(5)进一步地，弱磁控制时，高速与基速的差别是在铁损和转动惯量，而加入y＝kx+b补偿方法，其中，k为铁损的系数，b为阻尼系数，y为基速时转矩值与高速转矩的误差，并进行数据补偿以达到良好的控制效果。
(6)进一步地，PI控制分为低速，中速和高速三种阶段，三段时分别采用不同的PI参数以避免因电机工作情况不同造成的参数的不同。
所述Id为直轴励磁电流，所述Iq为交轴励磁电流；转矩公式为：
P[Ψf*Iq+(Ld-Lq)*Id*Iq]
其中，P为极对数，Ψf为永磁体的感应磁链，Ld与Lq为定子上的电感；
最优转矩与Id和Iq的关系是：最优转矩控制即使单位电流输出最大转矩控制方式，因为凸极式电机的不对称性，需要调整Id和Iq的大小，使最小的电流输出最大的扭矩。
PI调节，其中，P为比例部分，I是积分部分，调节这两个参数可以改进控制性能的响应时间和稳态误差。
铁损系数是由转速升高和电流增大后，引起的磁场损耗增加的一个系数，阻尼系数是由于转子与定子的惯性延迟即定子磁场与感应磁场引起的转矩延迟引起的。
其中，0-2000r/min为低速，2000r/min-4000r/min为中速，4000r/min-5000r/min为高速；其中，r/min指的是转/每分钟,低于2000转/分钟本发明定义为低速运行；在2000转/分钟-4000转/分钟本发明定义为中速运行；在4000转/分钟-5000转/分钟本发明定义为高速运行。
如图1所示，电机在运行前，先进行MTPA数据采集，即给定电流测试不同的扭矩输出，然后找到最佳的Id和Iq的值，找出最佳的电机转矩/电流比，最大限度的利用控制器的性能。
给定扭矩后，通过MTPA数据分析，分别给定目标的Id*和Iq*，通过三二变换和PARK变换，计算出实际的Id和Iq，作为电流的反馈，完成之后，进行PI控制，通过二三变换，转换到SVPWM，SVPWM为空间矢量脉宽调制；输出到桥式IGBT中，控制电机的电流输出，达到控制电机转矩的目的。
在弱磁以上时，如图2所示，先判断进入弱磁的条件，即给定的US*与反馈的US*k值进行比较，当US*>US*k时，进入了弱磁控制，这时可以将差值作为MTPA的Id电流的控制，加大Id的负值增量，其中，k为一个系数，取0.8-1，Vbs为直流母线电压。
其中，US*为给定的Id与Iq控制的矢量电压；
US*k中，US为母线电流的根号下3倍，K是比例系数；
Id*为MTPA采集的Id电流数据；Iq*为Id*为MTPA采集的Iq电流数据。
Vbs为母线输入电压；
αβ/abc为三二变换；PARK变换为通过一定的角度旋转变换，把旋转中的向量变为静止直角坐标系里面的量。
误差越大，Id的负值越大，进而达到弱磁目的，最后通过反馈，进行PI的调节。
当采用基速的MTPA数据时，由于Id的值加大，也就是去磁分量加大，同时，高速时，电机的阻尼系数与铁损电气参数都会相应的变化，会使得原来的MTPA数据输出的转矩与实际测到的转矩，存在着误差，这就需要对其进行补偿。
如图2所示，转矩的测试设备测得转矩与给定的转矩进行几个方面的对比，求出转矩误差y，在已知给定电流Iq，求出几个分段下的铁损k和阻尼系数b，计算出y、k、b后，对Iq的电流进行补偿，弥补造成转矩的不足，达到精确控制的目的。
图1\图2中：
Udc为母线侧电压；
Te为整车控制器(VCU)给定扭矩；
iα为通过三二变换后得到的交轴电流，Ub*为PARK逆变换前的给定交轴电压；
iβ为通过三二变换后得到的直轴电流，Ua*为PARK逆变换前的给定直轴电压。Θr为测量的电机位置角度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在基速以下时，采用数据查表法，即利用实验测试不同电流下的Id和Iq的值，得出对应的转矩，进而分析出最优转矩与Id和Iq的曲线，作为MTPA控制的数据点；
(2)在高速时，到达弱磁时利用基速时采集的MTPA数据的方法并通过实验测试得出两者不同情况的转矩误差，并对误差进行分析，进行相应的控制；
(3)在以上步骤(1)、步骤(2)中加入Id和Iq分别进行PI控制；
(4)进一步地，采用基速以下的MTPA控制时，采用查表法，便于快速和高效率控制；
(5)进一步地，弱磁控制时，高速与基速的差别是在铁损和转动惯量，而加入y＝kx+b补偿方法，其中，k为铁损的系数，b为阻尼系数，y为基速时转矩值与高速转矩的误差，并进行数据补偿以达到良好的控制效果；
(6)进一步地，PI控制分为低速，中速和高速三种阶段，三种阶段时分别采用不同的PI参数，以避免因电机工作情况不同造成的参数的不同。
2.根据权利要求1所述的一种用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新方法，其特征在于，所述Id为直轴励磁电流，所述Iq为交轴励磁电流；转矩公式为：
P[Ψf*Iq+(Ld-Lq)*Id*Iq]
其中，P为极对数，Ψf为永磁体的感应磁链，Ld与Lq为定子上的电感。
3.根据权利要求1所述的一种用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新方法，其特征在于，所述最优转矩与Id和Iq的关系是：最优转矩控制即使单位电流输出最大转矩控制方式，因为凸极式电机的不对称性，需要调整Id和Iq的大小，使最小的电流输出最大的扭矩。
4.根据权利要求1所述的一种用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新方法，其特征在于，所述PI调节，其中，P为比例部分，I是积分部分，调节这两个参数可以改进控制性能的响应时间和稳态误差。
5.根据权利要求1所述的一种用于纯电动汽车的永磁同步电机控制器弱磁标定的新方法，其特征在于，所述铁损系数是由转速升高和电流增大后，引起的磁场损耗增加的一个系数，阻尼系数是由于转子与定子的惯性延迟即定子磁场与感应磁场引起的转矩延迟引起的；
其中，0-2000r/min为低速，2000r/min-4000r/min为中速，4000r/min-5000r/min为高速；其中，r/min指的是转/每分钟,低于2000转/分钟定义为低速运行；在2000转/分钟-4000转/分钟定义为中速运行；在4000转/分钟-5000转/分钟定义为高速运行。
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