CN110504887B - 一种电机控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电机控制器及其控制方法，以抑制逆变器输出电流中的高次谐波。该方法包括：根据交流电机转速与逆变器开关频率之间的对应关系，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent；根据Freq1、FreqMaxSet和FreqMinSet计算随机开关频率取值区间[Freq3，FreqMaxSet]中的下限值Freq3，其中Freq1为大于等于FreqCurrent的任一值，FreqMaxSet、FreqMinSet为根据系统硬件和控制性能要求综合考虑而设置的最高和最低开关频率；从[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率。

Description

一种电机控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机驱动与控制技术领域，更具体地说，涉及一种电机控制器及其控制方法。
背景技术
电机控制器是电动汽车的核心部件之一，其主要功能是控制内部的逆变器将车载电池输出的直流电压转换为交流电压，驱动交流电机按照设定的方向、转速、角度、响应时间进行运转。
传统的电机控制器中，逆变器的开关频率大都是固定不变的，这会使得逆变器输出相电流的谐波分布集中在开关频率及其倍数次处，致使逆变器输出电流中含有明显的高次谐波，进而引发电磁干扰和能量损耗。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电机控制器及其控制方法，以抑制逆变器输出电流中含有的高次谐波。
一种控制方法，应用于电机控制器，所述控制方法包括：
根据交流电机转速与逆变器开关频率之间的对应关系，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent；
计算随机开关频率取值区间[Freq3，FreqMaxSet]中的下限值Freq3，计算公式为
Figure BDA0002184062410000011
其中，Freq1为大于等于FreqCurrent的任一值，FreqMaxSet和FreqMinSet是根据系统硬件和控制性能要求综合考虑而设置的最高和最低开关频率；
从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率，作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率。
可选的，所述根据交流电机转速与逆变器开关频率之间的对应关系，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent，包括：
根据公式FreqCurrent＝MotSpd*Np*CarrierRatio/60，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent；
其中，MotSpd表示当前转速，Np表示电机极对数，CarrierRatio表示电机控制器设置的载波比。
可选的，所述从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率，包括：
利用随机数生成模块生成一个预设范围[R1，R2]内的随机数Ri；
根据公式FreqOut＝Freq3+(FreqMaxSet-Freq3)*(Ri-R2)/(R1-R2)计算得到区间[Freq3，FreqMaxSet]内的一个随机开关频率FreqOut。
可选的，R1＝1，R2＝0。
可选的，电机控制器采用电流内环和转速外环的双闭环控制方式实现交流电机控制，所述控制方法还包括：
根据当前产生的随机开关频率改变电流内环中预设环节的系统参数，以使得电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率与所述系统参数相匹配，保证电机控制器在高转速区的控制效果。
可选的，所述预设环节包括PI控制器；
所述根据当前产生的随机开关频率改变电流内环中预设环节的系统参数，以使得电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率与所述系统参数相匹配，保证电机控制器在高转速区的控制效果，包括：根据当前产生的随机开关频率改变所述PI控制器的内部参数，以保证所述电流内环的带宽为恒定值。
可选的，所述预设环节包括角度补偿模块；
所述根据当前产生的随机开关频率改变电流内环中预设环节的系统参数，以使得电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率与所述系统参数相匹配，保证电机控制器在高转速区的控制效果，包括：根据当前产生的随机开关频率改变所述角度补偿模块的内部参数，以补偿电流内环中反park变换的输出值施加到交流电机三相线端口上所存在的1.5拍的延迟。
可选的，所述根据当前产生的随机开关频率改变所述角度补偿模块的内部参数，包括：
根据当前产生的随机开关频率计算开关周期值，将所述开关周期值经过延时模块输出，延时模块输出值与所述开关周期值进行0.5倍增益放大后的输出值相加，相加结果与当前转速值相乘，相乘结果与交流电机当前角度值相加得到反park变换的电机角度输入值。
一种电机控制器，包括控制单元、驱动及隔离电路和逆变器，所述控制单元的输出信号经所述驱动及隔离电路进行隔离放大后控制所述逆变器运行，使所述逆变器将车载电池输出的直流电压转换为交流电压；所述控制单元包括电流内环和转速外环，所述电流内环上设置有：随机开关频率产生模块；
所述开关频率产生模块用于根据交流电机转速与逆变器开关频率之间的对应关系，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent；计算随机开关频率取值区间[Freq3，FreqMaxSet]中的下限值Freq3，计算公式为
Figure BDA0002184062410000031
其中，Freq1为大于等于FreqCurrent的任一值，FreqMaxSet和FreqMinSet是根据系统硬件和控制性能要求综合考虑而设置的最高和最低开关频率；从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率，作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率。
可选的，所述随机开关频率产生模块包括随机数生成模块和频率计算模块，其中：
随机数生成模块用于生成一个预设范围[R1，R2]内的随机数Ri；频率计算模块用于根据公式FreqOut＝Freq3+(FreqMaxSet-Freq3)*(Ri-R2)/(R1-R2)计算得到区间[Freq3，FreqMaxSet]内的一个随机开关频率。
从上述的技术方案可以看出，相比传统电机控制器中逆变器的开关频率固定不变，本发明在全转速范围内实现逆变器开关频率的随机变化，使得逆变器输出相电流的谐波分布不再集中在固定的开关频率及其倍数次处，而是均分到整个频域范围，这样就减小了逆变器输出电流中含有的高次谐波的幅值(即抑制了逆变器输出电流中含有的高次谐波)，系统的电磁干扰发射和能量损耗都会有所降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种控制方法流程图；
图2为本发明实施例公开的一种随机开关频率产生模块内部控制框图；
图3为现有技术公开的一种电机控制器电流内环控制框图；
图4为本发明实施例公开的一种电机控制器电流内环控制框图；
图5为本发明实施例公开的一种角度补偿模块内部控制框图；
图6为本发明实施例公开的一种电机控制器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种控制方法，应用于电机控制器，所述控制方法如图1所示，包括：
步骤S01：根据交流电机转速与逆变器开关频率之间的对应关系，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent。
具体的，电机控制器设置的载波比CarrierRatio参数为已知值。为保证交流电机稳定运行，在逆变器控制上，理论上允许达到的最低开关频率FreqCurrent随交流电机转速MotSpd变化，其变化曲线满足公式FreqCurrent＝MotSpd*Np*CarrierRatio/60，其中Np表示电机极对数。
步骤S02：计算随机开关频率取值区间[Freq3，FreqMaxSet]中的下限值Freq3，计算公式为
Figure BDA0002184062410000051
其中，Freq1为大于等于FreqCurrent的任一值；FreqMaxSet和FreqMinSet是根据系统硬件和控制性能要求综合考虑而设置的最高和最低开关频率。
步骤S03：从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率，作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率。
具体的，在计算得到当前转速下理论上允许达到的最低开关频率FreqCurrent后，取Freq1为当前转速下大于等于FreqCurrent的任一值，Freq1可以是关于FreqCurrent的一次直线、二次函数或其它形式的函数，并不局限。
考虑到电机控制器硬件支持的开关频率具有上下限(上限记为FreqMaxSet，下限记为FreqMinSet，FreqMaxSet和FreqMinSet的取值大小是根据电机控制器内IGBT允许的开关频率和器件发热综合考虑设置的，一旦电机控制器硬件确定，这两个值就是固定值)，所以Freq1必然不能超出区间[FreqMinSet，FreqMaxSet]，所以本发明实施例取Freq1和FreqMinSet中的最大值作为Freq2，然后取Freq2和FreqMaxSet中的最小值作为Freq3，这样即便是在交流电机速度较低时，也能保证当前转速下的开关频率不会低于FreqMinSet而造成控制失效，也即是本发明实施例对当前转速下开关频率理论上的和实际上的取值范围进行综合考量后，最终将当前转速下允许达到的开关频率的取值范围限定为了区间[Freq3，FreqMaxSet]。将区间[Freq3，FreqMaxSet]作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率取值区间，随机取区间[Freq3，FreqMaxSet]中的一个开关频率作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率，即可实现全转速范围内实现逆变器开关频率的随机变化。
相比传统电机控制器中逆变器的开关频率固定不变，本发明实施例在全转速范围内实现逆变器开关频率的随机变化，使得逆变器输出相电流的谐波分布不再集中在一个固定的开关频率及其倍数次处，而是均分到整个频域范围，这样就减小了逆变器输出电流中含有的高次谐波的幅值(即抑制了逆变器输出电流中含有的高次谐波)，系统的电磁干扰发射和能量损耗都会有所降低。
为便于描述，下文用FreqOut表示从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生的随机开关频率。
其中，从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率的实现方式可以是：利用随机数生成模块生成一个预设范围[R1，R2]内的随机数Ri；根据公式FreqOut＝Freq3+(FreqMaxSet-Freq3)*(Ri-R2)/(R1-R2)计算得到区间[Freq3，FreqMaxSet]内的一个随机开关频率。
上述FreqOut计算公式通过引入随机数Ri，来随机选取区间[Freq3，FreqMaxSet]中的任一值作为当前转速下允许达到的随机开关频率FreqOut，随机开关频率FreqOut的生成过程(下称随机开关频率产生模块)可参见如图2所示的控制框图。其中，R1和R2的取值没有限制，但考虑到R1＝1，R2＝0时，上述FreqOut计算公式可简化为FreqOut＝Freq3+(FreqMaxSet-Freq3)*Ri，所以为了简化计算，本发明实施例推荐设置R1＝1，R2＝0。
其中，将所述随机开关频率FreqOut作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率，在技术实现上，可以是在传统电机控制器基于固定开关频率实现交流电机控制的基础上，叠加一个随机开关频率产生模块，从而在全转速范围内实现开关频率的随机变化，具体描述如下：
传统的电机控制器一般是采用电流内环和转速外环的双闭环控制方式来实现交流电机控制，其中电流内环中参数的设置与当前开关频率有关，该电流内环控制框图如图3所示：
交流电机在d-q坐标系(即同步旋转坐标系)下的d轴电流给定值id*与d轴电流反馈值id之差作为一路PI控制器的输入；交流电机在d-q坐标系下的q轴电流给定值iq*与q轴电流反馈值iq之差作为另一路PI控制器的输入；两路PI控制器的输出经过d-q轴交叉解耦环节得到d、q轴电压给定值ud*和uq*；ud*和uq*经过反park变换和SVPWM模块得到驱动逆变器的PWM信号，所示PWM信号通过驱动及隔离电路驱动逆变器工作；逆变器将车载电池输出的直流电压Vdc转换成交流电压驱动交流电机运转。交流电机输出信号经过角度转速处理模块得到当前角度值MotAngle和当前转速值MotSpd，角度值MotAngle和转速值MotSpd输入角度补偿模块得到反park电压变换的电机角度输入值。逆变器输出电流经过相电流采样、3/2变换后输入park变换环节，park变换环节结合角度值MotAngle处理得到d、q轴电流反馈值id和iq。
本发明实施例在图3基础上进行改进，增加一个随机开关频率产生模块，如图4所示：其根据输入的当前转速MotSpd得到随机开关频率FreqOut，并输入到SVPWM模块和角度转速处理模块中。需要说明的是，开关频率随机变化，则开关周期也随之变化，所以SVPWM模块中的三相PWM寄存器比较值也需要随之变化。开关频率随机变化，则电机位置采样时间间隔也随机变化，因此角度速度处理模块在电机速度计算中的时间间隔也需要相应调整。
可选的，为保证电机控制器在高转速区的控制效果，图4中还需要根据当前产生的随机开关频率改变电流内环中预设环节的系统参数，以使得电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率与所述系统参数相匹配。
可选的，所述预设环节包括PI控制器。由于电流内环的带宽随开关频率变化，会影响交流电机在高速区域的稳定运行，因此本发明实施例还让PI控制器根据随机开关频率FreqOut实时改变PI控制器内部参数，以保证电流内环带宽是一个恒定的值，仍参见图4。
可选的，所述预设环节还可包括角度补偿模块。由于逆变器离散控制的固有属性，导致反park变换的输出值施加到交流电机三相线端口上会存在1.5拍的延迟(1.5拍的延迟，是由于电机控制器一般由DSP芯片来进行控制，其控制是按照一定的节拍进行，即每隔一定的时间进行一次控制，这个时间间隔记为Ts，1.5拍的延迟即1.5倍Ts的输出电压加载延迟，是系统固有的延迟)，这个延迟会导致系统在高速区的控制效果变差，严重时会引起电流振荡甚至系统不稳定，角度补偿模块是为了补偿这个1.5拍的延迟，以改善随机开关频率模式在高速区的运行性能。由于随机开关频率模式下，开关频率值每一拍都会发生改变，因此需要根据FreqOut实时改变角度补偿模块内部参数，计算得到当前情况下的反park电压变换的电机角度输入值。
本发明实施例公开的角度补偿模块内部控制框图如图5所示：将1/FreqOut得到的开关周期值经过延时模块输出，延迟模块的输出值与所述开关周期值进行0.5倍增益放大后的输出值相加，相加结果与当前转速值MotSpd相乘，相乘结果与当前角度值MotAngle相加得到反park电压变换的电机角度输入值Angleout。
本发明实施例根据开关频率的随机变化实时修改PI控制器和角度补偿模块的参数，使得系统在高速区域也能够稳定地运行，保证了电动汽车整车的振动和电磁兼容特性都有明显改善。
与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种电机控制器，如图6所示，包括控制单元100、驱动及隔离电路200和逆变器300，控制单元100的输出信号经驱动及隔离电路200进行隔离放大后控制逆变器300运行，使逆变器300将车载电池输出的直流电压转换为交流电压，其中：
所述控制单元100包括电流内环和转速外环，所述电流内环上设置有：随机开关频率产生模块101；
所述开关频率产生模块101用于根据交流电机转速与逆变器开关频率之间的对应关系，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent；计算随机开关频率取值区间[Freq3，FreqMaxSet]中的下限值Freq3，计算公式为
Figure BDA0002184062410000081
其中，Freq1为大于等于FreqCurrent的任一值，FreqMaxSet和FreqMinSet是根据系统硬件和控制性能要求综合考虑而设置的最高和最低开关频率；从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率，作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率。
当前产生的随机开关频率输入到电流内环中的SVPWM模块和角度转速处理模块中。需要说明的是，开关频率随机变化，则开关周期也随之变化，所以需要随之调整SVPWM模块中的三相PWM寄存器比较值。开关频率随机变化，则电机位置采样时间间隔也随机变化，因此也需要随之调整角度速度处理模块在电机速度计算中的时间间隔。
可选的，所述随机开关频率产生模块101包括随机数生成模块和频率计算模块，其中：
随机数生成模块用于生成一个预设范围[R1，R2]内的随机数Ri；频率计算模块用于根据公式FreqOut＝Freq3+(FreqMaxSet-Freq3)*(Ri-R2)/(R1-R2)计算得到区间[Freq3，FreqMaxSet]内的一个随机开关频率。
可选的，在上述公开的任一电机控制器中，所述电流内环中预设环节的系统参数随当前产生的随机开关频率改变，以使得电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率与所述系统参数相匹配，从而保证电机控制器在高转速区的控制效果。
可选的，所述预设环节包括PI控制器。所述PI控制器根据当前产生的随机开关频率实时改变PI控制器内部参数，以保证电流内环的带宽为恒定值。
可选的，所述预设环节还可包括角度补偿模块。所述角度补偿模块的内部参数随当前产生的随机开关频率改变，以补偿电流内环中反park变换的输出值施加到交流电机三相线端口上所存在的1.5拍的延迟。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的电机控制器而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种控制方法，应用于电机控制器，其特征在于，所述控制方法包括：
根据交流电机转速与逆变器开关频率之间的对应关系，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent；
计算随机开关频率取值区间[Freq3，FreqMaxSet]中的下限值Freq3，计算公式为
Figure FDA0002972024160000011
其中，Freq1为大于等于FreqCurrent的任一值，FreqMaxSet和FreqMinSet是根据系统硬件和控制性能要求综合考虑而设置的最高和最低开关频率；
从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率，作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率；
其中，所述从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率，包括：
利用随机数生成模块生成一个预设范围[R2，R1]内的随机数Ri；
根据公式FreqOut＝Freq3+(FreqMaxSet-Freq3)*(Ri-R2)/(R1-R2)计算得到区间[Freq3，FreqMaxSet]内的一个随机开关频率FreqOut。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据交流电机转速与逆变器开关频率之间的对应关系，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent，包括：
根据公式FreqCurrent＝MotSpd*Np*CarrierRatio/60，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent；
其中，MotSpd表示当前转速，Np表示电机极对数，CarrierRatio表示电机控制器设置的载波比。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，R1＝1，R2＝0。
4.根据权利要求1所述的控制方法，电机控制器采用电流内环和转速外环的双闭环控制方式实现交流电机控制，其特征在于，所述控制方法还包括：
根据当前产生的随机开关频率改变电流内环中预设环节的系统参数，以使得电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率与所述系统参数相匹配，保证电机控制器在高转速区的控制效果。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述预设环节包括PI控制器；
所述根据当前产生的随机开关频率改变电流内环中预设环节的系统参数，以使得电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率与所述系统参数相匹配，保证电机控制器在高转速区的控制效果，包括：根据当前产生的随机开关频率改变所述PI控制器的内部参数，以保证所述电流内环的带宽为恒定值。
6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于，所述预设环节包括角度补偿模块；
所述根据当前产生的随机开关频率改变电流内环中预设环节的系统参数，以使得电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率与所述系统参数相匹配，保证电机控制器在高转速区的控制效果，包括：根据当前产生的随机开关频率改变所述角度补偿模块的内部参数，以补偿电流内环中反park变换的输出值施加到交流电机三相线端口上所存在的1.5拍的延迟。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根据当前产生的随机开关频率改变所述角度补偿模块的内部参数，包括：
根据当前产生的随机开关频率计算开关周期值，将所述开关周期值经过延时模块输出，延时模块输出值与所述开关周期值进行0.5倍增益放大后的输出值相加，相加结果与当前转速值相乘，相乘结果与交流电机当前角度值相加得到反park变换的电机角度输入值。
8.一种电机控制器，包括控制单元、驱动及隔离电路和逆变器，所述控制单元的输出信号经所述驱动及隔离电路进行隔离放大后控制所述逆变器运行，使所述逆变器将车载电池输出的直流电压转换为交流电压；所述控制单元包括电流内环和转速外环，其特征在于，所述电流内环上设置有：随机开关频率产生模块；
所述开关频率产生模块用于根据交流电机转速与逆变器开关频率之间的对应关系，计算当前转速下允许达到的最低开关频率FreqCurrent；计算随机开关频率取值区间[Freq3，FreqMaxSet]中的下限值Freq3，计算公式为
Figure FDA0002972024160000021
其中，Freq1为大于等于FreqCurrent的任一值，FreqMaxSet和FreqMinSet是根据系统硬件和控制性能要求综合考虑而设置的最高和最低开关频率；从区间[Freq3，FreqMaxSet]内产生一个随机开关频率，作为电机控制器下一个控制节拍的随机开关频率；
所述随机开关频率产生模块包括随机数生成模块和频率计算模块，其中：
随机数生成模块用于生成一个预设范围[R2，R1]内的随机数Ri；频率计算模块用于根据公式FreqOut＝Freq3+(FreqMaxSet-Freq3)*(Ri-R2)/(R1-R2)计算得到区间[Freq3，FreqMaxSet]内的一个随机开关频率。
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