CN107070335B - 双pwm永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法，即将电动机的负载转矩转化为发电机输出转矩对应的给定转矩电流，以达到迅速改变调整发电机的输出功率，从而缩短了电动机负载转矩响应时间，避免了传统双PWM永磁电力驱动系统中，在电动机负载转矩发生变化时，需等待直流母线电压变化才能给出相应调整信息以调整发电机的输出功率，其转矩响应时间过长的问题。本发明还提供了一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置，其仅需要在现有系统中的电动机与发电机控制器中间增设一个转矩观测器和该转矩观测器连接的转矩电流转换器，便可实现转矩前馈的目的，其结构简单、系统维护方便且响应速度快，便于使用和推广。

Description

双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法及其控制装置

技术领域

本发明涉及电动机控制技术领域，更具体地，涉及一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法及其控制装置。

背景技术

在电力变换装置中，PWM方法已被广泛用作获取期望输出电压的控制方法，PWM方法是使开关元件以和电压指令成比例的导通时间间隔或导通持续时间进行导通的方法，在已有技术中熟知该方法有载波比较法或空间矢量法。

近年来，随着车辆技术的高速发展，双PWM永磁电力驱动系统因其具有输入功率因数高、电能双向流动、绿色环保等特性，被广泛应用于车辆驱动系统。然而，车辆系统需根据具体路况信息进行加速、减速、上坡、下坡等操作，对负载转矩响应要求精度高，但是，现有的双PWM永磁电力驱动系统存在两个方面的问题：1.在电动机负载转矩变化时，现有的双PWM永磁电力驱动系统是通过直流母线电压的变化，将转矩变化信息反馈给发电机，让其调整输出功率，存在转矩响应时间过长的问题，满足不了车辆系统转矩响快速应要求；2.通过在直流母线处安装储能设备的方法，虽然缩短系统负载转矩响应时间，但增加了系统设计成本和系统能源管理难度。

发明内容

本发明提供一种转矩响应速度快、系统成本低且便于能源管理的双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法及其控制装置，以解决现有双PWM电力驱动系统在车辆系统中所存在的转矩响应速度慢、系统成本高且能源管理复杂的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法，其包括以下步骤：

S1.基于电动机输出端的角速度和电动机输出端的定子相绕组电流，获取电动机的负载转矩观测值；基于功率相等原则，将电动机负载转矩折算到发电机端对应的输出转矩；

S2.基于电磁转矩方程，获取电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流；

S3.根据电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流和发电机的定子相绕组电流，获取发电机端的脉冲宽度调制控制信号。

在上述方案基础上优选，所述步骤S1进一步包括以下步骤：基于电动机输出端的角速度和电动机输出端的定子相绕组电流，将电动机输出端的定子相绕组电流通过坐标变换，获取电动机输出端的定子相绕组dq轴电流。

在上述方案基础上优选，所述步骤S1进一步包括：

基于电动机输出端的定子相绕组d轴电流i_md和电动机输出端的定子相绕组q轴电流i_mq，获取电动机的负载转矩观测值其表达式为：

且，

其中，ω_m表示电动机的角速度，p_n表示电动机极对数，J表示电动机转动惯量，B表示电动机摩擦转矩粘滞系数，表示电动机转子磁通，L_d表示电动机的直轴同步电感系数，L_q表示电动机的交轴同步电感系数，l表示反馈增益系数，k表示滑模增益系数，u_smo表示滑模控制器的输出量。

在上述方案基础上优选，所述步骤S2获取电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流i_mgf具体表达式为：

其中，表示发电机端的输出转矩，ω_g表示发电机的角速度。

本发明还提供了一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置，其包括控制电路、顺序连接的发电机、整流电路、直流母线、逆变电路和电动机，所述控制电路包括与所述整流电路连接的发电机控制器和与所述逆变电路连接的电动机控制器，且所述电动机与所述发电机控制器中间还装设有转矩观测器和转矩电流转换器，所述转矩观测器通过所述转矩电流转换器与所述发电机控制器相连。

在上述方案基础上优选，所述发电机与所述发电机控制器之间还设有用于将交流电转换为直流电的第一转换器，所述逆变电路的输出端与所述电动机控制器之间还设有用于将交流电转换为直流电的第二转换器，且所述第二转换器的输出端还与所述转矩观测器的输入端相连。

在上述方案基础上优选，所述发电机的输出端设有用于检测其输出转速的发电机编码器，所述电动机的输出端设有用于检测其输出转速的电动机编码器。

在上述方案基础上优选，所述发电机编码器的输出端与所述发电机控制器的输入端相连，所述电动机编码器的输出端与所述电动机控制器的输入端相连。

在上述方案基础上优选，所述转矩观测器的数学模型表达式为：

且，

其中，ω_m表示电动机的角速度，p_n表示电动机极对数，J表示电动机转动惯量，B表示电动机摩擦转矩粘滞系数，表示电动机转子磁通，i_md表示电动机输出端的定子相绕组d轴电流，i_mq表示电动机输出端的定子相绕组在q轴的电流，L_d表示电动机的直轴同步电感系数，L_q表示电动机的交轴同步电感系数，l表示反馈增益系数，u_smo表示滑模控制器的输出量，表示负载转矩观测值。

在上述方案基础上优选，所述转矩电流转换器的数学模型表达式为：

其中，表示发电机端的输出转矩，ω_g表示发电机的角速度，i_mgf表示电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流。

本申请提出一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法，即将电动机端的负载转矩转化为发电机端输出转矩对应的给定转矩电流，以达到迅速改变调整发电机的输出功率，从而缩短了电动机负载转矩响应时间，避免了传统双PWM永磁电力驱动系统中，电动机负载发生变化时，需等待直流母线电压变化才能给出相应调整信息以调整发电机的输出功率，其转矩响应时间过长的问题。

本申请的一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置，其仅需要在现有系统中的电动机与发电机控制器中间增设一个转矩观测器和与该转矩观测器连接的转矩电流转换器，便可实现转矩前馈的目的，其结构简单、系统维护方便且响应速度快，便于使用和推广。

附图说明

图1为本发明的一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置的结构框图；

图2为本发明的一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置的控制原理图；

图3为本发明的发电机电流控制器的控制原理框图；

图4为本发明的转矩观测器的控制原理框图；

图5为本发明的一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图1所示，本发明提供了一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置，其包括控制电路、发电机、整流电路、直流母线、逆变电路和电动机，发电机、整流电路、直流母线、逆变电路和电动机顺序电性相连，且控制电路包括与整流电路连接的发电机控制器和与逆变电路连接的电动机控制器。

其中，本发明的发电机的输出端装设有发电机编码器用于获取发电机输出轴转速，并将发电机编码器的输出端与发电机控制器的输入端相连；本发明还在电动机的输出端装设有电动机编码器用于获取电动机输出轴转速，且该电动机编码器的输出端与电动机控制器的输入端相连。

请继续参阅图1所示，为了将交流信号转化为可控的直流信号，本发明在发电机与发电机控制器之间还设有用于将交流电转换为直流电的第一转换器，如本发明的第一转换器是将发电机定子三相电流i_ga、i_gb、i_gc通过abc-dq变换得到的两相旋转电流i_gd、i_gq，其中，i_gd表示发电机定子相绕组在d轴的电流，i_gq表示发电机定子相绕组在q轴的电流。

本发明的逆变电路的输出端与电动机控制器之间还设有用于将交流电转换为直流电的第二转换器，如本发明的第二转换器是将电动机定子三相电流i_ma、i_mb、i_mc通过abc-dq变换得到的两相旋转电流i_md、i_mq，其中，i_md表示电动机输出端的定子相绕组在d轴的电流，i_mq表示电动机输出端的定子相绕组在q轴的电流。

为了提高系统对负载转矩的响应速度，本发明在电动机与发电机控制器之间还设有转矩观测器及转矩电流转换器，其中转矩观测器的输出端与转矩电流转换器输入端相连，以利用转矩电流转换器将转矩观测值转换为发电机端输出转矩对应的给定转矩电流。

进一步的，本发明的转矩观测器的输入端分别与第二转换器输出端和电动机编码器输出端相连，以分别通过第二转换器获取电动机的d轴电流i_md和电动机输出端的定子相绕组q轴电流i_mq，及利用电动机编码器获取电动机的角速度ω_m。

为了更加详细说明本发明的技术方案，以下将详细介绍本发明转矩观测器的设计方法，原理参阅图4所示。

假设在一个周期内，负载转矩T_L恒定不变，则根据PMSM在dq坐标系下的数学模型得：

引入滑模：速度估计误差为切换函数：s(x)＝0为切换面，得：

其中：

且，

其中，ω_m表示电动机的角速度，p_n表示电动机极对数，J表示电动机转动惯量，B表示电动机摩擦转矩粘滞系数，表示电动机转子磁通，i_md表示电动机输出端的定子相绕组d轴电流，i_mq表示电动机输出端的定子相绕组q轴电流，L_d表示电动机的直轴同步电感系数，L_q表示电动机的交轴同步电感系数，l表示反馈增益系数，k表示滑模增益系数，u_smo表示滑模控制器的输出量，表示电动机负载转矩观测值。

进一步的，以下将详细介绍本发明转矩观测器的推导过程。

在电动机端，通过转矩观测器，观测获取电动机端负载转矩观测值通过电动机编码器测量到电动机转速ω_m，则电动机所需功率为：

为了求出电动机端负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流i_mgf，需要将电动机负载转矩折算到发电机端，依据功率相等的原则，进行负载转矩折算，则电动机所需功率等于发电机输出功率，即：

P_m＝P_g (4)；

其中，P_g表示发电机输出功率，P_m表示电动机所需功率。

则，折算到发电机的输出转矩为：

又因为PMSG的电磁转矩方程为：

由式(7)得

从而，电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流i_mgf为：

为了进一步详细说明发明的技术方案,请继续参阅图1所示,本发明的发电机控制器包括顺序连接的母线电压控制器、第一电流控制器、第一SVPWM调节器。本发明的电动机控制器包括顺序连接的电机转速控制器、第二电流控制器、第二SVPWM调节器。

其中，本发明的母线电压控制器包括第一比较器与第一比较器连接的第一PI控制器；且第一电流控制器包括第二比较器与第二比较器连接的第二PI控制器、及第三比较器。本发明的第二比较器的输入端与第一PI控制器的输出端电性连接，且第二PI控制器的输出端通过第三比较器经第一SVPWM调节器与整流电路相连。

为了便于说明本发明的技术方案，以下将以发电机输出端的定子相绕组在q轴电流调节过程为例进行说明，具体过程请参阅图3所示。

第一比较器将直流母线的电压V_dc与直流母线的电压给定值V_dc ^*比较以获取两者之差，将获取的差值发送至第一PI控制器中，通过第一PI控制器以获取发电机输出端的定子相绕组在q轴电流给定值i_gq ^*；

基于发电机输出端的定子相绕组q轴电流给定值i_gq ^*、电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流i_mgf，并设定反馈量为发电机输出端的定子相绕组q轴电流i_gq，通过第二比较器以获取三者的最后反馈信号，将获取的反馈信号经过第二PI控制器以得到发电机定子的q轴电压u_gq，然后将获取到的发电机定子的q轴电压u_gq输送至第三比较器减去耦合电压的影响，以获取发电机定子的q轴电压给定值u_gq ^*。

最后，将获取到的发电机定子的q轴电压给定值u_gq ^*发送至第一SVPWM调节器予以调控获取整流电路中IGBT导通的信号，以实现其对发电机输出功率的调节。

由于发电机输出端的d轴电流调节与q轴电流调节原理相同，且电动机端的电动机控制器控制原理与发电机的控制原理相同，故在此不再赘述。

本发明还提供了一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法，其包括以下步骤：

S1.基于电动机输出端的角速度和电动机输出端的定子相绕组电流，获取电动机的负载转矩观测值，并基于功率相等原则，将电动机端的负载转矩折算到发电机端的输出转矩；

S2.基于电磁转矩方程，获取电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流；

S3.根据电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流和发电机的定子相绕组电流，获取发电机端的脉冲宽度调制控制信号。

以下将详细说明本发明步骤S1，本发明获取发电机负载观测值包括

S11.基于电动机输出端的角速度和电动机输出端的定子相绕组电流，将电动机输出端的定子相绕组电流通过坐标变换，获取电动机输出端的dq轴电流i_md、i_mq；

S12.基于电动机输出端的定子相绕组d轴电流i_md和电动机输出端的定子相绕组q轴电流i_mq，获取电动机的负载转矩观测值其表达式为：

且，

其中，ω_m表示电动机的角速度，p_n表示电动机极对数，J表示电动机转动惯量，B表示电动机摩擦转矩粘滞系数，表示电动机转子磁通，L_d表示电动机的直轴同步电感系数，L_q表示电动机的交轴同步电感系数，l表示反馈增益系数，k表示滑模增益系数，u_smo表示滑模控制器的输出量。

为了进一步说明本发明的步骤S2，请继续参阅图2所示，本发明的步骤S2进一步还包括以下步骤：

获取电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流i_mgf具体表达式为：

其中，表示发电机端的输出转矩，ω_g表示发电机的角速度。

最后，根据获取的电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流i_mgf通过发电机控制器以控制整流电路的IGBT通断，以实现其对发电机输出功率的调节，具体调节过程请参阅装置中发电机控制器工作原理，在此不再赘述。

本申请提出一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法，即将电动机端的负载转矩转化为发电机端输出转矩对应的给定转矩电流，以达到迅速改变调整发电机的输出功率，从而缩短了电动机负载转矩响应时间，避免了传统双PWM永磁电力驱动系统中，电动机负载发生变化时，需等待直流母线电压变化才能给出相应调整信息以调整发电机的输出功率，其转矩响应时间过长的问题。

本申请的一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置，其仅需要在现有系统中的电动机与发电机控制器中间增设一个转矩观测器和与该转矩观测器连接的转矩电流转换器，便可实现转矩前馈的目的，其结构简单、系统维护方便且响应速度快，便于使用和推广。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1.基于电动机输出端的角速度和电动机输出端的定子相绕组电流，获取电动机的负载转矩观测值；

S2.基于电磁转矩方程，获取电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流；

S3.基于电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流和发电机的定子相绕组电流，获取发电机端的脉冲宽度调制控制信号；所述步骤S1进一步包括以下步骤：基于电动机输出端的定子相绕组电流，通过坐标变换，获取电动机输出端的定子相绕组dq轴电流；

所述步骤S1进一步包括：

基于电动机输出端的定子相绕组d轴电流i_md和电动机输出端的定子相绕组q轴电流i_mq，获取电动机的负载转矩观测值其表达式为：

且，

其中，ω_m表示电动机的角速度，表示电动机角速度的观测值，p_n表示电动机极对数，J表示电动机转动惯量，B表示电动机摩擦转矩粘滞系数，表示电动机转子磁通，L_d表示电动机的直轴同步电感系数，L_q表示电动机的交轴同步电感系数，l表示反馈增益系数，k表示滑模增益系数，u_smo表示滑模控制器的输出量。

2.如权利要求1所述的一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制方法，其特征在于，所述步骤S2获取电动机负载转矩在发电机端输出转矩对应的给定转矩电流i_mgf具体表达式为：

其中，表示发电机端的输出转矩，ω_g表示发电机的角速度。

3.一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置，其特征在于，其包括控制电路、顺序连接的发电机、整流电路、直流母线、逆变电路和电动机，所述控制电路包括与所述整流电路连接的发电机控制器和与所述逆变电路连接的电动机控制器，且所述电动机与所述发电机控制器中间还装设有转矩观测器和转矩电流转换器，所述转矩观测器通过所述转矩电流转换器与所述发电机控制器相连；

所述转矩观测器的数学模型表达式为：

且，

其中，ω_m表示电动机的角速度，表示电动机角速度的观测值，p_n表示电动机极对数，J表示电动机转动惯量，B表示电动机摩擦转矩粘滞系数，表示电动机转子磁通，i_md表示电动机输出端的定子相绕组d轴电流，i_mq表示电动机输出端的定子相绕组q轴电流，L_d表示电动机的直轴同步电感系数，L_q表示电动机的交轴同步电感系数，l表示反馈增益系数，k表示滑模增益系数，u_smo表示滑模控制器的输出量，表示电动机负载转矩观测值。

4.如权利要求3所述的一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置，其特征在于，所述发电机与所述发电机控制器之间还设有用于将交流电转换为直流电的第一转换器，所述逆变电路的输出端与所述电动机控制器之间还设有用于将交流电转换为直流电的第二转换器，且所述第二转换器的输出端还与所述转矩观测器的输入端相连。

5.如权利要求4所述的一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置，其特征在于，所述发电机的输出端设有用于检测其输出转速的发电机编码器，所述电动机的输出端设有用于检测其输出转速的电动机编码器。

6.如权利要求5所述的一种双PWM永磁电力驱动系统转矩前馈控制装置，其特征在于，所述发电机编码器的输出端与所述发电机控制器的输入端相连，所述电动机编码器的输出端与所述电动机控制器的输入端相连。