CN110289792B - 永磁同步电机的标定方法、控制方法及台架试验控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的标定方法、控制方法及台架试验控制系统,标定方法包括:测功机采用转速控制模式,使待标定电机的转速稳定在设定转速n;待标定电机采用转矩控制模式,设定d轴电流给定值idref1和转矩指令值Tref,电机运行稳定后,记录相应的q轴电流给定值iqref1和直流母线功率Q1;给定d轴电流给定值idrefj,2≤j≤n,idref1>idref2>…>idrefn,在每个idrefj下,电机运行稳定后,记录相应的iqrefj和Qj;寻找最小的Qj所对应的idrefj和iqrefj,即为Tref和n所对应的最大转矩功率比标定数据;重复上述过程,得到不同的转矩指令值和转速所对应的最大转矩功率比标定数据。本发明通过对不同的转矩指令值和转速所对应的最大转矩功率比进行标定,来最终实现电机系统的控制,实现了系统效率最高。

Description

永磁同步电机的标定方法、控制方法及台架试验控制系统
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机的标定方法、控制方法及台架试验控制系统,属于永磁同步电机控制技术领域。
背景技术
永磁同步电机是新能源汽车的主要动力执行部件,电机系统效率对整车能耗和续驶里程有重要影响。对于现有的车用永磁同步电机控制算法,在电机基速以下一般采用最大转矩电流比控制算法(MTPA,Maximum Torque per Ampere),在电机基速以上采用弱磁算法(FW,Field Weakening)。最大转矩电流比控制又称定子电流最小控制,即在给定转矩情况下,通过最优分配交直轴电流分量,实现定子电流最小,达到单位电流下输出转矩最大。该算法实现简单,但只能保证永磁同步电机系统电流最小,即铜损最小,不能保证电机铁耗的降低,因此并不是使系统效率最高的控制方式。基速以上的弱磁控制是在电机端电压达到逆变器直流侧电压允许输出最大值后,通过增加直轴电流即弱磁电流,来削弱电机磁场,从而使电机转速可以继续升高,满足恒功率和宽调速运行需求。现有的弱磁控制算法一般通过最大限度的利用直流母线电压,来保证在一定转速和转矩条件下所需的弱磁电流最小,从而达到降低铜损,提升系统效率的目的。这种弱磁控制方式不能兼顾电机铁耗和铜耗,因此也并不是使系统效率最高的控制方式。
其中,永磁同步电机系统主要损耗包括电机铜损、铁损和杂散损耗,电机电频率较高时,铁损在总损耗中的占比不能忽略,最大转矩电流比算法和目前的弱磁算法出发点都是通过减小电流来减小铜损,没有考虑电机铁损,因此不能保证系统效率最高。
为了提升永磁同步电机效率,相关文献还提出了基于损耗模型的最优磁场调节策略和输入功率最小策略。前者基于永磁同步电机的损耗数学模型,用数值解法求得优化的直轴电流,由于该方案需要精确的电机参数,电动汽车的复杂运行工况使得电机参数变化很大,实际应用中难以保证优化效果。后者按照控制器直流输入功率动态调节交直轴电流分量,达到降低系统损耗的目的,该方法能够实现系统效率的全局最优,不依赖电机参数,因而准确度较高,但该方法需要在控制器直流母线上增加功率或者电流传感器,增加了系统成本,且在线寻优过程慢,导致控制器动态性能较差,不能满足电动汽车场合的转矩响应速度需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁同步电机的标定方法、控制方法及台架试验控制系统,用于解决永磁同步电机的效率较低的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种永磁同步电机的转矩效率比的标定方法,步骤如下:
测功机采用转速控制模式,控制待标定电机的转速稳定在设定转速n;
待标定电机采用转矩控制模式,设定d轴电流给定值idref1和转矩指令值Tref,电机运行稳定后,记录相应的q轴电流给定值iqref1和直流母线功率Q1
给定d轴电流给定值idrefj,2≤j≤n,idref1>idref2>…>idrefn,在每个idrefj下,电机运行稳定后,记录相应的q轴电流给定值iqrefj和直流母线功率Qj
寻找最小的Qj所对应的idrefj和iqrefj,即为转矩指令值Tref和设定转速n所对应的最大转矩功率比标定数据;
重复上述过程,得到不同的转矩指令值和转速所对应的最大转矩功率比标定数据。
进一步的,按照设定d轴电流变化步长,给定d轴电流给定值idrefj
本发明还提供了一种台架试验控制系统,包括处理器和存储器,所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法:
向测功机发送指令,控制测功机处于转速控制模式,且待标定电机的转速稳定在设定转速n;
向待标定电机发送指令,控制待标定电机处于转矩控制模式,设定d轴电流给定值idref1和转矩指令值Tref,电机运行稳定后,记录相应的q轴电流给定值iqref1和直流母线功率Q1
给定d轴电流给定值idrefj,2≤j≤n,idref1>idref2>…>idrefn,在每个idrefj下,电机运行稳定后,记录相应的q轴电流给定值iqrefj和直流母线功率Qj
寻找最小的Qj所对应的idrefj和iqrefj,即为转矩指令值Tref和设定转速n所对应的最大转矩功率比标定数据;
重复上述过程,得到不同的转矩指令值和转速所对应的最大转矩功率比标定数据。
进一步的,按照设定d轴电流变化步长,给定d轴电流给定值idrefj
在上述永磁同步电机的转矩效率比的标定方法的基础上,本发明还提供了一种永磁同步电机的控制方法,步骤如下:
根据接收到的整车转矩指令和当前转速,查找最大转矩效率比标定数据,得到d、q轴电流给定值;
将d、q轴电流给定值分别与实际d、q轴电流作差,并根据电流差值得到d、q轴电压给定值;
根据d、q轴电压给定值,生成调制脉冲以控制永磁同步电机。
进一步的,还包括根据d、q轴电压给定值以及直流母线电压,判断是否符合弱磁条件,若符合则产生弱磁补偿电流,将弱磁补偿电流与d轴电流给定值进行叠加,得到最终的d轴电流给定值。
本发明的有益效果是:
按照等转矩原则对电机工作区域进行划分,控制待标定电机的转速稳定在设定转速n,设定d轴电流给定值和转矩指令值Tref,通过不断减小设定的d轴电流给定值,对每个d轴电流给定值均使电机实际转矩最终稳定在Tref,记录此时对应的d轴电流给定值、q轴电流给定值和直流母线功率,找出最小的直流母线功率所对应的d轴电流给定值和q轴电流给定值,即为Tref和n所对应的最大转矩功率比标定数据;在实际永磁同步电机的控制过程中,根据接收到的整车转矩指令和当前转速,查找最大转矩效率比标定数据,进而得到d、q轴电流给定值,可实现在全工况范围内按照控制器直流输入功率分配d、q电流分量,最终实现了电机系统的控制,平衡了铁耗和铜耗,实现了电机系统效率最高,且无需增加额外硬件,从而降低了程序实现难度和改动量。
进一步的,通过弱磁条件判断,采用弱磁补偿电流对d轴电流给定值进行修定,增大了d、q轴电流调节范围。
附图说明
图1是永磁同步电机的转矩效率比的标定方法的控制框图;
图2是永磁同步电机的转矩效率比的标定方法的控制流程图;
图3是本发明永磁同步电机的控制框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供了一种永磁同步电机的控制方法,该控制方法通过引入功率反馈,在全工况范围内按照控制器直流输入功率分配交直轴电流分量,平衡铁耗和铜耗,实现系统效率最高。该控制方法采用电动汽车场合通用的电机控制算法设计流程,即先对电机进行台架标定,再基于电机标定数据制作电机控制程序,既可保证电机控制动态响应性能,同时又和电动汽车场合常见的电机控制程序软、硬件架构保持一致,无需增加额外硬件,从而降低程序实现难度和改动量。
由于永磁同步电机的控制方法是以永磁同步电机的最大转矩效率比标定数据为基础,因此,本发明还提供了一种台架试验控制系统,该控制系统包括处理器和存储器,处理器用于处理存储在存储器中的指令,以实现一种永磁同步电机的转矩效率比的标定方法,具体包括以下步骤:
永磁同步电机的转矩效率比的标定方法的控制框图如图1所示,在该标定控制框图的基础上,按照等转矩、转矩间隔对电机工作区域进行划分,确定标定点,进而制定最大转矩效率比标定数据表格,其控制过程如图2所示。下面以电机工作区内任意标定点(n1,T1)的标定为例,对最大转矩效率比标定过程进行说明,具体步骤如下:
1)向测功机发送指令,测功机采用转速控制模式,控制待标定电机的转速稳定在设定转速n1
2)向待标定电机发送指令,待标定电机采用转矩控制模式,首先设定d轴电流给定值idref1=0和转矩指令值Tref=T1,通过转矩控制器的调节作用,电机实际转矩Tact会最终稳定在T1,记录此时的q轴电流给定值iqref1和直流母线功率Q1
3)设置d轴电流变化步长Δid,令d轴电流发生器输出的d轴电流给定值idref2=idref1-Δid,在转矩控制器的调节作用下,电机实际转矩Tact会最终稳定在T1,记录此时的d、q轴电流给定idref2、iqref2和直流母线功率Q2
4)重复步骤3),逐渐减小d轴电流给定,记录不同(idref,iqref)下的直流母线功率Q。
当然,作为其他的实施方式,在上述步骤中,也可以根据需要设定d轴电流给定值,并不限于设定d轴电流给定值idref1=0,然后以首次设定的d轴电流给定值为基础,逐渐减小该d轴电流给定值。此时有给定d轴电流给定值idrefj,2≤j≤n,idref1>idref2>…>idrefn。当然,在d轴电流给定值逐渐减小的过程中,每次变化的步长也可以是不相等的。例如,在满足需求的情况下,每次变化的步长呈逐渐增大的趋势,或者呈现逐渐减小的趋势。在每次d轴电流给定值减小后,均通过转矩控制使电机实际转矩最终稳定在设定的转矩指令值,记录此时的d轴电流给定值、q轴电流给定值和直流母线功率。
5)寻找最小的直流母线功率所对应的d轴电流给定值和q轴电流给定值,即为转矩指令值Tref和设定转速n所对应的最大转矩功率比标定数据。
具体的,将所有点(idref,iqref)组成一条等转矩曲线,找出所有点中直流母线功率最小的点,即为点(n1,T1)的最大转矩功率比标定数据。其中,在等转矩曲线上的转速和输出转矩相等,因此输出功率相等,进而可以找到所有点中直流母线功率最小的点。
同样的,对于其他点,例如点(n2,T2),重复步骤1)~5),完成点(n2,T2)的标定,进而得到不同的转矩指令值和转速所对应的最大转矩功率比标定数据。最后利用标定数据,制作最大转矩效率比标定数据表格。
应用上述的永磁同步电机的最大转矩效率比标定数据,永磁同步电机的控制框图如图3所示,具体包括以下步骤:
(1)根据接收到的整车转矩指令Tref和当前转速n,查找最大转矩效率比标定数据表格,得到由最大转矩效率比标定数据确定的d、q轴电流给定值idref、iqref
(2)将d、q轴给定值idref、iqref分别与实际d、q轴电流作差,并将电流差值送到电流控制器,得到d、q轴电压给定值udref、uqref
为了修正d轴电流给定值,将电流控制器输出的d、q轴(交、直轴)电压给定值udref、uqref以及直流母线电压Udc送入弱磁控制器,判断是否符合弱磁条件,若符合则产生弱磁补偿电流iFW,并将iFW返回。弱磁补偿电流iFW与d轴电流给定值idref进行叠加得到最终的d轴电流给定值,该最终的d轴电流给定值和q轴电流给定值iqref一起送到电流控制器。
(3)d、q轴电压给定值udref、uqref经过dq-αβ变换器,得到α轴电压uα和β轴电压uβ,将α轴电压uα和β轴电压uβ输入到过调制和SVPWM模块,得到调制脉冲,产生实际电压,以控制永磁同步电机。
本发明通过车用永磁同步电机最大转矩效率比标定,制定出最大转矩效率比标定数据表格,并根据该最大转矩效率比标定数据表格实现对永磁同步电机的控制,可以有效提升电机系统效率。另外,本发明还将最大转矩效率比标定方法与过调制方法结合,增大了交、直轴电流调节范围和寻优范围,扩大了电机系统最大转矩效率比工作点寻优范围。在不改变硬件的前提下,提升了电机系统效率,降低整车能耗,增加续驶里程。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机的转矩效率比的标定方法,其特征在于,步骤如下:
测功机采用转速控制模式,控制待标定电机的转速稳定在设定转速n;
待标定电机采用转矩控制模式,设定d轴电流给定值idref1和转矩指令值Tref,在idref1下,控制待标定电机的转矩稳定在转矩指令值Tref,电机运行稳定后,记录相应的q轴电流给定值iqref1和直流母线功率Q1
给定d轴电流给定值idrefj,2≤j≤n,idref1>idref2>…>idrefn,在每个idrefj下,控制待标定电机的转矩稳定在转矩指令值Tref,电机运行稳定后,记录相应的q轴电流给定值iqrefj和直流母线功率Qj
寻找最小的Qj所对应的idrefj和iqrefj,即为转矩指令值Tref和设定转速n所对应的最大转矩功率比标定数据;
重复上述过程,得到不同的转矩指令值和转速所对应的最大转矩功率比标定数据。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的转矩效率比的标定方法,其特征在于,按照设定d轴电流变化步长,给定d轴电流给定值idrefj
3.一种台架试验控制系统,其特征在于,包括处理器和存储器,所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法:
向测功机发送指令,控制测功机处于转速控制模式,且待标定电机的转速稳定在设定转速n;
向待标定电机发送指令,控制待标定电机处于转矩控制模式,设定d轴电流给定值idref1和转矩指令值Tref,在idref1下,控制待标定电机的转矩稳定在转矩指令值Tref,电机运行稳定后,记录相应的q轴电流给定值iqref1和直流母线功率Q1
给定d轴电流给定值idrefj,2≤j≤n,idref1>idref2>…>idrefn,在每个idrefj下,控制待标定电机的转矩稳定在转矩指令值Tref,电机运行稳定后,记录相应的q轴电流给定值iqrefj和直流母线功率Qj
寻找最小的Qj所对应的idrefj和iqrefj,即为转矩指令值Tref和设定转速n所对应的最大转矩功率比标定数据;
重复上述过程,得到不同的转矩指令值和转速所对应的最大转矩功率比标定数据。
4.根据权利要求3所述的台架试验控制系统,其特征在于,按照设定d轴电流变化步长,给定d轴电流给定值idrefj
5.一种应用权利要求1所述的标定方法的永磁同步电机的控制方法,其特征在于,步骤如下:
根据接收到的整车转矩指令和当前转速,查找最大转矩效率比标定数据,得到d、q轴电流给定值;
将d、q轴电流给定值分别与实际d、q轴电流作差,并根据电流差值得到d、q轴电压给定值;
根据d、q轴电压给定值,生成调制脉冲以控制永磁同步电机。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的控制方法,其特征在于,还包括根据d、q轴电压给定值以及直流母线电压,判断是否符合弱磁条件,若符合则产生弱磁补偿电流,将弱磁补偿电流与d轴电流给定值进行叠加,得到最终的d轴电流给定值。
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