CN108400736A

CN108400736A - 高功率密度电机控制器的实现方法及计算机存储介质

Info

Publication number: CN108400736A
Application number: CN201810251039.9A
Authority: CN
Inventors: 邢路军; 陆付军
Original assignee: Shandong Yuan Qi New Power Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong Malabesi Automobile Co ltd
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2018-08-14
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: CN108400736B

Abstract

本发明提供一种高功率密度电机控制器的实现方法及计算机存储介质，其中，方法包括：利用非盲算法初始化电机及电机控制器矢量方程组的系数；利用定时长定边界约束条件校正所述系数。本发明提高了电机控制器功率密度，实现小功率电机控制器控制大功率电机的控制策略。

Description

高功率密度电机控制器的实现方法及计算机存储介质

技术领域

本发明涉及混合动力汽车及电动汽车电机控制技术领域，尤其涉及一种高功率密度电动汽车控制器，具体来说就是一种高功率密度电机控制器的实现方法及计算机存储介质。

背景技术

发展新能源汽车已成为各国政府和汽车行业的共识，其中，车用电机驱动控制系统既是关键技术又是共性技术，因受车辆空间限制和使用环境的约束，要求车用电机驱动控制系统比普通电传动系统具有更高的性能、体积/重量密度及环境温度。用于普通电传动的电力电子与电机技术已经不能适应车用电机驱动控制系统的要求。近年来，车用电机驱动控制系统技术发展趋势基本可归纳为数字化和集成化，当前我国车用电机驱动控制系统的技术差距主要体现在功率密度、可靠性和成本三方面。电机驱动控制系统的功率密度具体指电机控制器输出功率与电机控制器重量之比。

现有电动车的电机控制器与电机匹配方面，因电机功率需求及电机控制器散热需求的限制，大都采用相同功率，即4KW电机匹配4KW电机控制器，5.6KW电机匹配5.6KW电机控制器，7.5KW电机匹配7.5KW电机控制器。并且电机控制器布置要求苛刻，电机和电机控制器发热量较大，要有好的布置空间及通风条件，电机控制器系统整体功率因数低、效率低，电机和电机控制器等功率匹配至少存在以下缺点：匹配单一，电机控制器体积大，布置空间受限，不方便整车布置；现有电机控制器功率密度相对较小，例如某款电机控制器功率为7.5KW，重量为5kg，功率密度仅为1.5KW/kg；因电机控制器功率密度低，布置空间受限，须布置在通风条件较好的空间内；控制器不能平台化设计，小功率电机用小功率电机控制器，大功率电机用大功率电机控制器；虽然小功率电机控制器体积小、节省空间，对散热性能要求较低，内部MOS管(金属氧化物半导体场效应晶体管)少，节省成本，但是只能匹配小功率电机，在车辆上的运用时，只能满足爬坡角度小、行驶速度慢的性能需求；大功率控制器虽然能够匹配大功率电机，在车辆上的运用时，能够满足爬坡角度大、行驶速度快的性能需求，但是体积较大，存在一定的空间限制，对散热性能要求较高，内部MOS管也相对较多，成本较高。

因此，本领域技术人员亟需研发一种高功率密度电机控制器，从而利用小功率电机控制器匹配大功率电机，提高车用电机驱动系统的集成化程度。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种高功率密度电机控制器的实现方法及计算机存储介质，解决了现有电机控制器功率密度低、体积大，不方便整车布置的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式提供一种高功率密度电机控制器的实现方法，包括：利用非盲算法初始化电机及电机控制器矢量方程组的系数；利用定时长定边界约束条件校正所述系数。

本发明的具体实施方式还提供一种包含计算机执行指令的计算机存储介质，所述计算机执行指令经由数据处理设备处理时，该数据处理设备执行高功率密度电机控制器的实现方法。

根据本发明的上述具体实施方式可知，高功率密度电机控制器的实现方法及计算机存储介质至少具有以下有益效果：通过提高电机及电机控制器的功率因数，提高电机控制器功率密度，实现小功率电机控制器控制大功率电机的控制策略，利用小体积电机控制器控制大功率电动机，小体积电机控制器体积较小，节省空间，布置方便灵活，为整车轻量化做贡献；小体积电机控制器结构相对简单，功率管可以做的相对较少，外壳小，节省成本；小功率电机控制器能够满足对大功率电机扭矩及高转速电机的控制要求；采用全新的设计框架思路，提高整机的功率因数，满足小体积控制器控制大电机的需求；改进后电机控制器功率密度相对较高，改进后电机控制器功率为7.5KW，重量为3.5kg，功率密度为2.15KW/kg；功率密度提高后整车能量消耗相对较小，续驶里程变长；电机控制器可以平台化设计，同一款电机控制器可以满足不同规格电机的使用需求。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明具体实施方式提供的一种高功率密度电机控制器的实现方法的实施例一的流程图。

图2为本发明具体实施方式提供的一种高功率密度电机控制器的实现方法的实施例二的流程图。

图3为本发明具体实施方式提供的一种高功率密度电机控制器的实现方法的实施例三的流程图。

图4为本发明具体实施方式提供的一种高功率密度电机控制器的实现方法的实施例四的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1为本发明具体实施方式提供的一种高功率密度电机控制器的实现方法的实施例一的流程图，如图1所示，利用非盲算法初始化矢量方程组的系数，再利用定时长定边界约束条件校正系数。

该附图所示的具体实施方式中，高功率密度电机控制器的实现方法包括：

步骤101：利用非盲算法初始化电机及电机控制器矢量方程组的系数。本发明的实施例中，结合采用盲算法和非盲算法计算矢量方程组的系数，能够快速收敛完成，可以最大提高功率密度，在不同负载下，可以自适应使电机工作在最优状态。电机控制器采用低导通电阻金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS管)或低Vce的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。低导通电阻金属氧化物半导体场效应晶体管和/或低Vce的绝缘栅双极型晶体管采用功率管软开关模式工作。电机控制器的功率小于电机的功率。

步骤102：利用定时长定边界约束条件校正所述系数。本发明的实施例中，对于无法收敛计算结果的，在定时长定边界约束条件下校正或丢弃系数。

参见图1，由于异步电机系统是多变量、强耦合，如果直接使用多变量矩阵方程计算，非常复杂，利用目前常用的DSP芯片无法实时完成运算，因此采用盲算法与非盲算法结合计算，采用非盲算法确定矢量方程组的初始系数，能快速收敛算完，对于无法收敛计算结果的系数，在边界约束条件上进行校正或丢弃，可以最大化提高电机控制器的功率密度，在不同负载状态下，例如大坡度、小坡度或平路上都可以自适应使电机工作在最优状态；降低电控及电机的无功功率，提高整机的功率因数(提高功率密数就是降低损耗，减少电机及电机控制器发热)。

图2为本发明具体实施方式提供的一种高功率密度电机控制器的实现方法的实施例二的流程图，如图2所示，在利用定时长定边界约束条件校正系数之前，首先需要选择时长及边界约束条件。

该附图所示的具体实施方式中，步骤102之前，高功率密度电机控制器的实现方法还包括：

步骤101-1：选择时长及边界约束条件。本发明的实施例中，采用自适应深度优化的矢量控制来选择时长及边界约束条件。自适应深度优化的矢量控制具体指：由于电机参数对电机控制器的效率影响最高可达35％，因此对电机参数变化而造成电机控制器无效电流增大，通常设计者在设计电机控制器时会由于这个原因加大电机控制器余量以防止电机控制器过热，因此自适应电机参数是保证电机控制器在不同温度、不同电机条件下保证实现高功率密度的前提之一。

深度优化是对电机参数经过一定时长逼进后产生准确电机参数值，特别对于异步电机影响更大；电机方程组中各种电机参数为非常数，因而采用高效逼进法在实际应用中可大幅提升电机控制器及电机运行效率，例如电机的定子电阻、定子电抗、转子电阻、转子电抗在不同温度下差别较大，定子电阻以铜在不同温度下电阻率变化，转子电阻会因铝在不同温度下电阻率变化；而矽钢片的导磁率在-30℃到100℃过程中更是有大的变化，经过不同工作阶段以拟合不同参数条件下电机状态实现高效的工作曲线。

图3为本发明具体实施方式提供的一种高功率密度电机控制器的实现方法的实施例三的流程图，如图3所示，如果利用定时长定边界约束条件校正系数后，系数仍然不能收敛，丢弃这些系数，并重新选择时长及边界约束条件。

该附图所示的具体实施方式中，步骤102之后，高功率密度电机控制器的实现方法还包括：

步骤103：丢弃无法收敛的所述系数，并重新选择时长及边界约束条件。本发明的实施例中，经过校正后的系数如果仍然不能收敛，说明前期选择的边界约束条件有问题，需要重新进行选择时长及边界约束条件，即返回步骤101-1。

参见图3，首先大致确定矢量方程组的系数，然后在边界约束条件下对系数进行校正，如果系数仍然不能收敛，说明大致确定的系数不准确，需要重新大致确定矢量方程组的系数，能够自适应使电机工作在最佳状态，提高整机的功率因数。

本发明的具体实施方式中，矢量控制的基本思想是：按照旋转磁场等效的原则，通过坐标变换(矢量变换)将定子电流矢量在同步旋转坐标系下分解为励磁电流分量和转矩分量，对它们分别进行控制，就可以得到和直流电机一样的控制特性。求得直流电机的控制量再经过相应的坐标反变换，求得交流电机控制量，控制交流电机。因此，坐标变换是矢量控制的基础，必须通过坐标变换，建立异步电机在按转子磁场定向的旋转坐标下的数学模型，推导出失量控制的控制方程。

根据旋转磁场等效的原则，经过3/2变换(Clarke变换)和旋转变换等矢量变换，使三相交流电机的三相绕组和直流电机的直流绕组等效，从而模拟直流电机控制转矩的方法对交流电机的转矩进行控制，这就是矢量控制。

坐标变换中需要遵循的两个原则：根据变换前后电流产生的旋转磁场等效原则；变换后两个系统的功率保持不变。

1.静止坐标系下的3/2变换：

静止坐标系下的3/2逆变换：

异步电机的数学模型：

1.在两相静止坐标系αβ上的数学模型：

电压方程

磁链方程

电磁转矩方程

T_e＝p_NL_m(i_1βi_2α-i_1αi_2β)

2.在两相旋转坐标系MT上的数学模型：

电压方程

磁链方程

电磁转矩方程

T_e＝p_NL_m(i_1Ti_2M-i_1Mi_2T)

矢量控制技术的关键是：其中，方程组R₁、L_m、L₁、L₂必须为准确的参数，否则整个方程组运算结果就完全错误，在以上参数为常量的矢量运算并不困难，难点在于在不同温度条件下，许多参数只能给出边界条件，而无法得到准确值，因此采用参数拟合运算，利用时间换精度。目前DSP处理器越来越快，有条件实现参数的深度优化。

图4为本发明具体实施方式提供的一种高功率密度电机控制器的实现方法的实施例四的流程图，如图4所示，利用定时长定边界约束条件校正系数包括采样、滤波、运算、判断等步骤。

该附图所示的具体实施方式中，步骤102具体包括：

S1：采样电机及电机控制器的电压和电流。

S2：过滤所述电压和所述电流中的高次谐波。

S3：采样电机及电机控制器的转子状态。

S4：基于所述转子状态和滤波处理后的电压及电流进行电机及电机控制器矢量方程组运算。

S5：对电机及电机控制器矢量方程组进行最小均方差运算。

S6：提取电机及电机控制器矢量方程组的当前系数和运算步长。

S7：判断所述当前系数是否满足所述边界约束条件，如果满足所述边界约束条件，返回步骤S1。

S8：如果不满足所述边界约束条件再判断所述运算步长是否满足所述时长。

S9：如果所述运算步长满足所述时长，校正所述当前系数。

S10：否则，判断所述当前系数是否收敛，如果所述当前系数收敛，校正所述系数。

参见图4，利用定时长定边界约束条件校正矢量方程组的系数，能够自适应使电机工作在最佳状态，在不同负载下，都可以自适应使电机工作在最佳状态，提高整机的功率因数。

本发明的具体实施方式提供一种包含计算机执行指令的计算机存储介质，所述计算机执行指令经由数据处理设备处理时，该数据处理设备执行高功率密度电机控制器的实现方法。方法包括以下步骤：

步骤101：利用非盲算法初始化电机及电机控制器矢量方程组的系数。

步骤102：利用定时长定边界约束条件校正所述系数。

本发明的具体实施方式还提供一种包含计算机执行指令的计算机存储介质，所述计算机执行指令经由数据处理设备处理时，该数据处理设备执行高功率密度电机控制器的实现方法。方法包括以下步骤：

步骤101-1：选择时长及边界约束条件。

步骤102：利用定时长定边界约束条件校正所述系数。

步骤101-1：选择时长及边界约束条件。

步骤102：利用定时长定边界约束条件校正所述系数。

步骤103：丢弃无法收敛的所述系数，返回步骤101-1。

步骤101-1：选择时长及边界约束条件。

S1：采样电机及电机控制器的电压和电流。

S2：过滤所述电压和所述电流中的高次谐波。

S3：采样电机及电机控制器的转子状态。

S5：对电机及电机控制器矢量方程组进行最小均方差运算。

S9：如果所述运算步长满足所述时长，校正所述当前系数。

步骤103：如果所述当前系数不收敛，丢弃无法收敛的所述系数，返回步骤101-1。

本发明实施例提供一种高功率密度电机控制器的实现方法及计算机存储介质至少具有以下有益效果：通过提高电机及电机控制器的功率因数，提高电机控制器功率密度，实现小功率电机控制器控制大功率电机的控制策略，利用小体积电机控制器控制大功率电动机，小体积电机控制器体积较小，节省空间，布置方便灵活，为整车轻量化做贡献；小体积电机控制器结构相对简单，功率管可以做的相对较少，外壳小，节省成本；小功率电机控制器能够满足对大功率电机扭矩及高转速电机的控制要求；采用全新的设计框架思路，提高整机的功率因数，满足小体积控制器控制大电机的需求；改进后电机控制器功率密度相对较高，改进后电机控制器功率为7.5KW，重量为3.5kg，功率密度为2.15KW/kg；功率密度提高后整车能量消耗相对较小，续驶里程变长；电机控制器可以平台化设计，同一款电机控制器可以满足不同规格电机的使用需求。

上述的本发明实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)中执行上述方法的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种高功率密度电机控制器的实现方法，其特征在于，该方法包括：

利用非盲算法初始化电机及电机控制器矢量方程组的系数；以及

利用定时长定边界约束条件校正所述系数。

2.如权利要求1所述的高功率密度电机控制器的实现方法，其特征在于，利用定时长定边界约束条件校正所述系数的步骤之前，该方法还包括：

选择时长及边界约束条件。

3.如权利要求2所述的高功率密度电机控制器的实现方法，其特征在于，利用定时长定边界约束条件校正所述系数的步骤之后，该方法还包括：

丢弃无法收敛的所述系数，并重新选择时长及边界约束条件。

4.如权利要求3所述的高功率密度电机控制器的实现方法，其特征在于，利用定时长定边界约束条件校正所述系数的步骤，具体包括：

S1：采样电机及电机控制器的电压和电流；

S2：过滤所述电压和所述电流中的高次谐波；

S3：采样电机及电机控制器的转子状态；

S4：基于所述转子状态和滤波处理后的电压及电流进行电机及电机控制器矢量方程组运算；

S5：对电机及电机控制器矢量方程组进行最小均方差运算；

S6：提取电机及电机控制器矢量方程组的当前系数和运算步长；

S7：判断所述当前系数是否满足所述边界约束条件，如果满足所述边界约束条件，返回步骤S1；

5.如权利要求4所述的高功率密度电机控制器的实现方法，其特征在于，利用定时长定边界约束条件校正所述系数的步骤还包括：

S9：如果所述运算步长满足所述时长，校正所述当前系数；

6.如权利要求1所述的高功率密度电机控制器的实现方法，其特征在于，所述电机控制器采用低导通电阻金属氧化物半导体场效应晶体管或低Vce的绝缘栅双极型晶体管。

7.如权利要求1所述的高功率密度电机控制器的实现方法，其特征在于，低导通电阻金属氧化物半导体场效应晶体管和/或低Vce的绝缘栅双极型晶体管采用功率管软开关模式工作。

8.如权利要求1所述的高功率密度电机控制器的实现方法，其特征在于，所述电机控制器的功率小于所述电机的功率。

9.一种包含计算机执行指令的计算机存储介质，所述计算机执行指令经由数据处理设备处理时，该数据处理设备执行权利要求1～8任一所述的高功率密度电机控制器的实现方法。