CN107667467A

CN107667467A - 用于控制电动或混合动力牵引机动车辆的动力传动系的异步电机的方法和系统

Info

Publication number: CN107667467A
Application number: CN201680028768.7A
Authority: CN
Inventors: A·马卢姆
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2016-04-06
Publication date: 2018-02-06
Also published as: WO2016166444A1; FR3034927A1; FR3034927B1; EP3300544B1; EP3300544A1

Abstract

一种用于控制机动车辆的动力传动系的异步电机的方法，包括以下步骤：确定转矩请求(C_e ^#)和所述异步电机的转速；根据取决于所述转矩请求和所述转速(Ω)的映射来确定对转子通量的请求根据所述对转子通量的请求和所述转矩请求来确定对定子电流的直轴和交轴分量的请求(I_ds，I_qs)；根据所述对转子转矩的请求、所述对定子电流的交轴分量的请求、转子速率、所述电机的极对数以及转速来确定旋转场与相对于定子的固定系所形成的角(θ_s)；根据所述对定子电流的直轴和交轴分量的请求的组合来确定定子电压的直轴和交轴分量(V_ds，V_qs)；根据定子电压在帕克系中的直轴和交轴分量以及旋转场与相对于定子的固定系所形成的角(θ_r)来确定三相系中的定子电压值。

Description

用于控制电动或混合动力牵引机动车辆的动力传动系的异步电机的方法和系统

本发明的技术领域是电机控制，并且具体是异步电机控制。

异步电机由于其结构因此是市场上最稳健的电机并且价格最便宜。与这类机器的控制有关的进展以及重大的技术进步在动力电子学领域和微电子学领域均已使引入控制这类机器的高效方法成为可能，使其成为可变速率和快速转矩控制行业中强大的竞争者。然而，仍存在很多问题。机器参数变化的影响和机械传感器的存在处于已引起研究人员和工程师兴趣的众多难题之列。

对于转子不按旋转场的速度旋转并且仅有的电输入是在定子处的笼式异步机器，关于其控制存在一些难题。为了控制转矩和速度(或机器的位置)，已经提出了多种技术。尤其是已经提出了标量法，但是这些方法具有当停止时不能够确保转矩或者不够动态且精确的缺点。

还提出了比标量法更加动态且精确的矢量法。使用微控制器和信号处理设备(DSP：数字信号处理器)已经使得能够实施矢量法。

此外，使用电池限制了可能的控制。由于这些限制，无法达到所有设定点。位于可达空间外的设定点通常是具有不稳定性的发电机。

除了创建控制之外，另一个问题由于无法将所有电压用作控制电压而因此出现了。在创建控制的过程中必须将这一点考虑在内作为附加约束。

根据现有技术，以下文献是已知的：

文献FR 2800935公开了一种转子通量定向用于异步机器的稳健控制策略。这个策略的稳健性在于将定子电压降考虑在内。

文献FR 2779017公开了一种转子通量定向用于异步电动机的控制方法。这项技术的原创性在于转子通量被重构并且然后与通量按照额定速度进行的映射相比较以便然后作用于电动机的方式。

文献EP 0884835公开了一种转子通量定向用于异步机器的速度调节方法。基于机器的特性，确定了电动势和定子频率ω_s。此方法具有一个主要缺点，因为其取决于机器的可能随车辆的使用寿命而改变的物理参数。

文献FR 0840441公开了转子通量定向用于异步机器的的常规控制策略。所述文献的目的并非创建控制而是管理这些控制的饱和度。为此，所述方法在控制Ud和Uq达到预定义阈值时被触发。

文献EP 0883511公开了在基本参考系(abc)(三相正弦参考系)中创建设定点。设定点块还包含根据期望的转矩设定点值的转子频率(转差频率)和电流幅度。正是通过设定转差频率来设定电流设定点的频率。

在文献EP 0617505、EP 0461511和EP 0047893中也公开了用于异步机器的通量定向的控制策略。

本发明的目的是确定用于异步电机的转子通量定向矢量控制。

本发明的另一个目的是提供机器中电流的稳定性，尽管有电压限制。

本发明的主题是一种用于控制电动或混合动力牵引机动车辆的动力传动系的异步电机的方法。所述方法包括以下步骤：

确定对转矩的请求和所述异步电机的转速，

根据取决于所述对转矩的请求和所述转速的映射来确定对转子通量的请求，

根据所述对转子通量的请求和所述对转矩的请求来确定对定子电流的交轴分量的请求，

根据所述对转子通量的请求来确定对定子电流的直轴分量的请求，

根据所述对转子通量的请求、所述对定子电流的交轴分量的请求、转子脉动、所述电机的极对数以及机械转速来确定旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角，

根据对定子电流的二次和直轴分量的请求的组合来确定定子电压的二次分量，

根据对定子电流的直轴和二次分量的请求的另一个组合来确定定子电压的直轴分量，

根据定子电压在帕克(Park)参考系中的直轴和交轴分量以及旋转场与相对于定子固定的所述参考系所形成的角来确定三相参考系中的定子电压值，

由此确定的三相定子电压值被传输到所述电机的电源逆变器的控制装置。

为了确定旋转场与相对于定子固定的所述参考系所形成的角，可以执行以下步骤：

根据所述对转子通量的请求和所述对定子电流的交轴分量的请求来确定转子脉动，

根据转子脉动以及所述电机的极对数与转速的乘积来确定定子脉动，

通过相对于时间对定子脉动求积分来确定旋转场与相对于定子固定的所述参考系所形成的角。

所述方法还可以包括以下步骤：

测量三相参考系中的定子电流，

根据三相参考系中的定子电流测量值以及旋转场与相对于定子固定的所述参考系所形成的角来确定帕克参考系中的定子电流测量值，

通过从所述对定子电流的二次分量的请求中减去定子电流的交轴分量来确定对定子电流的二次分量的校正后请求，

通过从所述对定子电流的直轴分量的请求中减去定子电流的直轴分量来确定对定子电流的直轴分量的校正后请求，以及

用所述对定子电流的直轴和交轴分量的校正后请求来替代用于确定定子电压的二次分量和定子电压的直轴分量的所述对定子电流的直轴和交轴分量的请求。

本发明的另一个主题是一种用于控制电动或混合动力牵引机动车辆的动力传动系的异步电机的系统。所述系统包括：用于确定驾驶员意愿的装置，用于根据驾驶员意愿来确定对转矩的请求；用于根据取决于所述对转矩的请求和转速的映射来确定对转子通量的请求的装置；用于根据所述对转子通量的请求和所述对转矩的请求来确定对定子电流的交轴分量的请求的装置；用于根据所述对转子通量的请求以及所述对定子电流的直轴分量的请求来确定转子脉动的装置；用于根据所述对转子通量的请求来确定对定子电流的直轴分量的请求的装置；用于根据机械转速和转子脉动来确定旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角的装置；用于根据对定子电流的直轴和交轴分量的请求的组合来确定定子电压的二次分量的第一计算装置；用于根据对定子电流的直轴和交轴分量的请求的另一个组合来确定定子电压的直轴分量的第二计算装置；用于根据定子电压在帕克参考系中的直轴和交轴分量以及旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角来确定三相参考系中的定子电压值的装置，所述三相定子电压值被传输到所述电机的电源逆变器的控制装置。

所述用于确定旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角的装置可以包括：机械转速与磁极数的乘法器；用于根据转子脉动以及机械转速与磁极数的乘积来确定定子脉动的加法器；用于通过对定子脉动求积分来确定旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角的积分器。

所述系统还可以包括：用于测量三相参考系中的定子电流的装置；用于根据在三相参考系中测得的定子电流以及旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角来确定帕克参考系中的定子电流测量值的装置；用于通过从所述对定子电流的二次分量的请求中减去定子电流的交轴分量来确定对定子电流的二次分量的校正后请求的第一减法器；用于通过从所述对定子电流的直轴分量的请求中减去定子电流的直轴分量来确定对定子电流的直轴分量的校正后请求的第二减法器，所述第一减法器和所述第二减法器用所述对定子电流的直轴和交轴分量的校正后请求来替代所述对定子电流的直轴和交轴分量的请求，所述对定子电流的直轴和交轴分量的请求被传输到针对定子电压的二次分量的第一计算装置以及到针对定子电压的直轴分量的第二计算装置。

通过阅读单纯以非限制性示例的方式并参照附图给出的以下说明，本发明的其他目的、特征和优点将显现，在附图中：

-图1展示了三相参考系和二相参考系，

-图2展示了旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角、机械角以及旋转场与相对于转子固定的参考系所形成的角，

-图3展示了用于控制电动或混合动力牵引机动车辆的动力传动系的异步电机的系统的主要元素，并且

-图4展示了用于控制电动或混合动力牵引机动车辆的动力传动系的异步电机的方法的主要步骤。

此后在本说明书中，相比于肯考迪亚(Concordia)变换，偏好地将克拉克(Clarke)变换用于从三相量(a，b，c)改变为二相量(α，β)。图1展示了这两个参考系。对非标准化转换矩阵的这个选择提供用于通过处理直轴量d或交轴量q(例如，源电流I_ds和I_qs)来促进控制。这还提供例如用于在不必经由乘法器系数传递的情况下直接估算由电机吸收的电流的模量。

以下方程式描述了三相量(a，b，c)参考系与二相量(α，β)参考系之间的转换。

其中

以下方程式描述了二相参考系(α，β)与帕克参考系(d，q)之间的转换。

其中

此后，参考系(α_s，β_s)固定并关联到定子，参考系(α_r，β_r)就其本身而言固定到转子。最后，参考系(d，q)关联到旋转磁场。

然后清楚地显示出，定子量的帕克变换的参考系和转子量的帕克变换的参考系必须重合以便简化方程式。

这通过用以下关系关联角θ_s和θ_r来实现：

θ_s＝θ+θ_r (方程式5)

其中：

θ_s是旋转场与相对于定子固定的参考系(α_s，β_s)所形成的角，

θ是机械角，并且

θ_r是旋转场与相对于转子固定的参考系(α_r，β_r)所形成的角。

图2中展示了这些角。

这个坐标轴系中的通量按照以下方式来表述：

其中：

是定子通量的直轴分量d，

是定子通量的交轴分量q，

是转子通量的直轴分量d，

是转子通量的交轴分量q，

L_s是定子的电感，

L_r是转子的电感，

M是互感，

I_ds是定子电流的直轴分量d，

I_qs是定子电流的交轴分量q，

I_dr是转子电流的直轴分量d，并且

I_qr是转子电流的交轴分量q。

电磁转矩C_e通过应用以下方程式来确定：

其中，p＝极对数

可以在关联到旋转场的参考系中描述电机的控制。在这种情况下，定子脉动ω_s由以下方程式来限定：

转子脉动ω_r由以下方程式来限定：

机械脉动ω由以下方程式来限定：

其中，Ω是机械转速。

因此：

其中：

V_ds是向定子施加的电压的直轴分量d，

V_qs是向定子施加的电压的交轴分量q，

R_s表示机器的定子的电阻，并且

R_r表示机器的转子的电阻。

使用这个参考系的优点是使常量处于稳定状态。因此更容易对其进行调节。

可以在关联到定子的参考系中描述电机的控制。在这种情况下，参考系(α_s，β_s)和(d，q)合并。因此获得了以下方程组：

通过组合方程式11和方程式12，因此可以表述以下方程组：

此外，添加了以下机械方程式：

其中：

C_r是阻力转矩

J是电机的惯性。

通过以此方式对机器建模，减少了需要知道其值以便能够控制机器操作的量的数量。具体地，仅必须确定定子电压的瞬时值以便将其施加到机器。

因此，不一定要像其他模型一样知道其他量(比如定子脉动或转差)的值，尤其是关联到同步旋转的参考系的模型(方程式8到方程式9)。

为了控制异步机器，可以使用被称为矢量控制的控制。矢量控制的目的是控制像DC机器一样具有单独激励的异步机器，所述控制包括在控制通量的量(激励电流)与关联到转矩的量(感应电流)之间去耦。这个去耦是具有单独激励的机器的设计所固有的并且提供用于在控制过程中获得非常快速的转矩响应。

为此，帕克参考系d-q被定向为使得轴d与通量同相，即：

由此获得的矢量控制被称为转子通量定向矢量控制。其用于消除转子和定子漏抗的影响并且产生比基于定子通量定向的方法更好的结果。

通过固定以下方程式，方程式15的条件可以转置为电机的控制

因此，关联到旋转场的参考系中的机器的方程式(方程式13)变为：

其中：

τ_r是转子时间常数。

此外，存在直接和间接的矢量控制方法。

间接控制时，帕克角θ_s从定子脉动中计算出来，定子脉动自己使用机器的速度和转子脉动ω_r来重构。

至于直接控制，帕克角使用测得的或估算的量来直接计算。

如果不存在通量调整，则矢量控制被称为开环控制。在此情况下，通量由电流I_ds来施加。从磁场与关联到定子的参考系之间的角θ_s得到的定子脉动ω_s因此可以通过以下关系被唯一地估算：

其中：

f是根据由机器的能量优化引起的机械转速的映射。

如果定子脉动从转子通量中或从磁化电流中估算出，则矢量控制被称为闭环控制。这两种方法(开环控制或闭环控制)皆与本发明兼容。

通过定向转子通量，获得了以下模型：

电压V_ds和V_qs使机器稳定在期望的操作点周围。其通过应用以下方程式来确定：

其中：

K_d和K_q是调整参数；

s是拉普拉斯变量。

图3展示了根据本发明的用于确定用于供应异步电机2以用于矢量控制的电压(V_ds，V_qs)的控制系统1的主要元素。

为此，用于确定驾驶员意愿的装置4(比如加速器踏板的推力传感器)根据驾驶员的意愿来传输对转矩的请求

在用于根据取决于对转矩的请求和转速Ω的映射来确定对转子通量的请求的装置5的输入端处接收对转矩的请求

对转子通量的请求和对转矩的请求由用于确定对定子电流的交轴分量q的请求的装置6通过应用方程式17来接收。

对转子通量的请求以及对定子电流的交轴分量q的请求由用于确定转子脉动ω_r的装置8通过应用方程式16来接收。

对转子通量的请求由用于确定对定子电流的直轴分量d的请求的装置9通过应用方程式18来接收。

加法器10在其输入端处接收转子脉动ω_r以及来自乘法器11的在其输入端处接收到的转速Ω与磁极数p的乘积p＊Ω。

加法器10在其输出端处将定子脉动ω_s传输到积分器12，所述积分器传输旋转场与相对于定子固定的参考系(α_s，β_s)所形成的角θ_s作为输出。

第一计算装置13根据对定子电流的二次和直轴分量的校正后请求和的组合通过应用方程式19来确定定子电压的二次分量V_qs。

第二计算装置14根据对定子电流的直轴和二次分量的校正后请求和的组合通过应用方程式20来确定定子电压的直轴分量V_ds。

用于确定三相参考系中的定子电压值的装置15应用方程式2和方程式4以便从帕克参考系改变为三相参考系。由此确定的三相定子电压值被传输到电机2的电源逆变器16的控制装置(未表示)以便生成相应的电压。

用于确定帕克参考系中的定子电流测量值的装置17应用方程式1和方程式3以便从三相参考系改变为帕克参考系。

由此确定的定子电流的交轴分量I_qs被传输到第一减法器18，所述第一减法器通过减去定子电流的交轴分量I_qs来校正对定子电流的二次分量的请求，以便获得对定子电流的二次分量的校正后请求

由此确定的定子电流的直轴分量I_ds被传输到第二减法器19，所述第二减法器通过减去定子电流的直轴分量I_ds来校正对定子电流的直轴分量的请求以便获得对定子电流的直轴分量的校正后请求

图4展示了根据本发明的用于确定用于供应异步电机2以进行矢量控制的电压(V_ds，V_qs)的控制方法的主要步骤。

所述方法始于步骤20，在所述步骤过程中，对转矩的请求根据通过各种装置(比如加速器踏板的推力传感器)激发的驾驶员意愿来确定。

在步骤21过程中，对转子通量的请求根据取决于对转矩的请求和机械转速Ω的映射来确定。

在步骤22过程中，对定子电流的交轴分量q的请求根据对转矩的请求和对转子通量的请求通过应用方程式18来确定。

在步骤23过程中，转子脉动ω_r根据对转子通量的请求以及对定子电流的交轴分量q的请求通过应用方程式17来确定。

在步骤24过程中，对定子电流的直轴分量d的请求根据对转子通量的请求通过应用方程式18来确定。

在步骤25过程中，定子脉动ω_s根据转子脉动ω_r和乘积p＊Ω来确定。

在步骤26过程中，旋转场与相对于定子固定的参考系(α_s，β_s)所形成的角θ_s通过对定子脉动ω_s求积分来确定。

在步骤27过程中，定子电压的二次分量V_qs根据对定子电流的二次和直轴分量的校正后请求和的组合通过应用方程式20来确定。

在步骤28过程中，定子电压的直轴分量V_ds根据对定子电流的直轴和二次分量的校正后请求和的组合通过应用方程式20来确定。

在步骤29过程中，三相参考系中的定子电压值根据帕克参考系中的定子电压值以及定子电压的直轴和交轴分量过应用方程式2和方程式4来确定，以便从帕克参考系改变为三相参考系。然后，由此确定的三相定子电压值被传输到电机2的电源逆变器16的控制装置(未表示)以便生成相应的电压。

在步骤30过程中，帕克参考系中的定子电流测量值根据三相参考系中的定子电流测量值通过应用方程式1和方程式3来确定，以便从三相参考系改变为帕克参考系。

在步骤31过程中，对定子电流的二次分量的校正后请求通过从对定子电流的二次分量的请求中减去定子电流的交轴分量I_qs来确定。

相当于对期望最小化的电流误差的请求。

在步骤32过程中，对定子电流的直轴分量的校正后请求通过从对定子电流的直轴分量的请求中减去定子电流的直轴分量I_ds来确定。相当于对期望最小化的电流误差的请求。

Claims

1.一种用于控制电动或混合动力牵引机动车辆的动力传动系的异步电机的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

确定对转矩的请求和所述异步电机的机械转速，

根据所述对转子通量的请求以及所述对转矩的请求来确定对定子电流的交轴分量的请求，

根据定子电压在帕克参考系中的直轴和交轴分量以及旋转场与相对于定子固定的所述参考系所形成的角来确定三相参考系中的定子电压值，

由此确定的三相定子电压值被传输到所述电机(2)的电源逆变器(16)的控制装置。

2.如权利要求1所述的方法，其中，为了确定旋转场与相对于定子固定的所述参考系所形成的角，

根据所述对转子通量的请求以及所述对定子电流的交轴分量的请求来确定转子脉动，

3.如利要求2所述的方法，另外包括以下步骤：

测量三相参考系中的定子电流，

4.一种用于控制电动或混合动力牵引机动车辆的动力传动系的异步电机的系统，其特征在于，所述系统包括：

用于确定驾驶员意愿的装置(4)，用于根据驾驶员意愿来确定对转矩的请求，

用于根据取决于所述对转矩的请求和转速的映射来确定对转子通量的请求的装置(5)，

用于根据所述对转子通量的请求以及所述对转矩的请求来确定对定子电流的交轴分量q的请求的装置(6)，

用于根据所述对转子通量的请求以及所述对定子电流的交轴分量q的请求来确定转子脉动ω_r的装置(8)，

用于根据所述对转子通量的请求来确定对定子电流的直轴分量的请求的装置(9)，

用于根据机械转速和转子脉动来确定旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角的装置(10，11，12)，

用于根据对定子电流的直轴和交轴分量的请求的组合来确定定子电压的二次分量的第一计算装置(13)，

用于根据对定子电流的直轴和交轴分量的请求的另一个组合来确定定子电压的直轴分量的第二计算装置(14)，

用于根据定子电压在帕克参考系中的直轴和交轴分量以及旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角来确定三相参考系中的定子电压值的装置(15)，

所述三相定子电压值被传输到所述电机(2)的电源逆变器(16)的控制装置。

5.如权利要求4所述的系统，其中，用于确定旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角的装置(10，11，12)包括：

机械转速与磁极数的乘法器(11)，

用于根据转子脉动以及机械转速与磁极数的乘积来确定定子脉动的加法器(10)，

用于通过对定子脉动求积分来确定旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角的积分器(12)。

6.如权利要求5所述的系统，包括：

用于测量三相参考系中的定子电流的装置，

用于根据在三相参考系中测得的定子电流和旋转场与相对于定子固定的参考系所形成的角来确定帕克参考系中的定子电流测量值的装置(17)，

用于通过从所述对定子电流的二次分量的请求中减去定子电流的交轴分量来确定对定子电流的二次分量的校正后请求的第一减法器(18)，

用于通过从所述对定子电流的直轴分量的请求中减去定子电流的直轴分量来确定对定子电流的直轴分量的校正后请求的第二减法器(19)，

所述第一减法器(18)和所述第二减法器(19)用所述对定子电流的直轴和交轴分量的校正后请求来替代所述对定子电流的直轴和交轴分量的请求，所述对定子电流的直轴和交轴分量的请求被传输到针对定子电压的二次分量的第一计算装置(13)以及到针对定子电压的直轴分量的第二计算装置(14)。