CN111030539A - 一种电动车永磁同步电机转矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种标定查表结合电压控制闭环补偿弱磁电流的电动车永磁同步电机转矩控制方法，同时通过电压环输出的D轴电流补偿值对Q轴电流给定进行缩小，以保证在电压环起作用的情况下，输出转矩保持不变；本专利方法可以提高转矩控制的精度，保证电动车永磁同步电机的控制稳定性，并且在标定查表中已经包含了弱磁控制、最大转矩电流比控制和最大转矩电压比控制的信息，因此是一种高效率的控制方法。

Description

一种电动车永磁同步电机转矩控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制领域，尤其涉及永磁同步电机在新能源电动车电动船等方面的一种控制方法。
背景技术
近些年来，随着新能源的发展及永磁材料不断完善，永磁同步电机逐渐成为新能源电动车、电动船上的主要推进电机，得到越来越广泛的应用。目前电动车上用的都是带有旋转编码器检测位置信号，然后采用磁场定向控制，控制永磁同步电机的输出转矩和转速。
在电动车上通常会用到电机转矩控制模式和转速控制模式，转矩控制模式下，一般需要对目标给定转矩进行快速跟踪，已达到车辆的快速响应性，比如加速性能，比如起步时间，司机通过控制油门信号，整车控制器通过油门信号换算成转矩指令发送给电机控制器，电机控制器及时响应跟踪目标给定转矩，以达到控制车辆运行的力和速度。
整车要求需要用快速的响应性和准确的转矩控制精度以及能达到最高的系统效率以增加续航里程，目前为了达到这个要求，电机控制器厂家所采用的方法大多都是标定查表法，这种查表法需要事先标定，将电机在不同转速，不同转矩下，最大效率点记录下来，然后制作成表格，将表格写在程序代码中，当需要控制电机转矩时，将表中的数据通过当前的转速以及整车控制器发送的目标转矩查询当前的电流给定值。
这种方式不仅可以让效率最优，还能解决系统的稳定性及弱磁的问题，但是有一个缺陷，表格是把直流母线电压当成是一个固定不变的电压转速当成一个固定转速在查表，而在实际过程中，直流母线电压是电池电压，电池电压在车子运行过程中是变化的，转速也是变化的，在快速响应转矩的时候，有可能会导致转速快速上升及电池电压跌落，这很容易出现在动态调节过程中电压饱和而查表法又不能及时跟上，因为查表法对信号都做了滤波处理，并且直流母线电压检测肯定存在误差，那么就会导致电机在电压饱和之后失控，考虑到这个问题，在查表法的基础上，加入了电压环弱磁控制，电压环的输出叠加到查表得到的D轴电流给定上，这样当电压饱和之后或者动态调节过程，也能保证系统稳定，问题是，这种电压环输出叠加到D轴给定电流上之后，对于凸极电机，如果D轴电流增加，Q轴电流还是原来的值，那么输出转矩就会增大，这就违背了跟随目标给定转矩的精度要求，电机输出转矩将大于目标给定转矩，而且还容易造成输出电流超过最大电流限制。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出一种控制策略，在电压环起作用的时候，增大D轴电流的同时，减小Q轴电流的比例，以达到电机实际输出转矩与目标给定转矩一致的效果。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电动车永磁同步电机转矩控制方法，包括如下步骤
步骤一，对永磁同步电机的转速点进行标定：在同一电流幅值下调整D轴电流和Q轴电流夹角，使得输出的电机转矩达到最大，此时为电机最大转矩电流比的点，记录此时的转速、转矩和给定电流，然后按一定比例调整电流给定幅值，标定下一个电机最大转矩电流比的点，依此类推直到达到最大的转速；
步骤二，将标定的数据进行整理，线性化处理得到不同转速不同转矩下的D轴电流和Q轴电流对应的二维表格；
步骤三，对输出电压进行闭环控制：通过电压环补偿一个弱磁电流叠加在查表得到的D轴电流上；
步骤四，对Q轴电流给定进行补偿：随着电压环输出的弱磁电流补偿值Δid的绝对值增大而减小Q轴电流绝对值，根据永磁同步电机电磁转矩的表达式
Figure BDA0002295535740000031
在保持电机转矩Te不变的情况下，电机的D轴电流id＝id0+Δid，其中id0为查表得到的电流给定值，Δid为电压环输出的弱磁电流补偿值，电机的Q轴电流iq＝iq0-Δiq，基于查表法和加入电压环之后的转矩表达式为：
Figure BDA0002295535740000032
在加入弱磁补偿电流Δid前后转矩不变，则有关系式
Figure BDA0002295535740000033
整理根据如下公式得到Q轴电流减小量Δiq
Figure BDA0002295535740000034
步骤五，整个控制系统，将电压环引入，将Δid和Δiq叠加在查表法得到的D轴电流给定和Q轴电流给定上，再对D轴电流最终给定值进行限幅idmax，使得弱磁电流在电机最大允许弱磁电流限制以内，之后按照如下公式将电机和逆变器允许的最大输出电流进行Q轴电流限幅iqmax，保证最终的输出电流不超过最大允许电流值：
Figure BDA0002295535740000035
本发明的有益效果是：
本发明控制方法可解决电动车永磁同步电机查表控制的不稳定性和转矩精度问题，为了解决查表法在电压饱和下可能存在的不稳定工况，提出来电压环叠加到D轴电流给定上，电压环采用磁链给定和磁链反馈做闭环输入，这种调节方式具有更快的调节效果，闭环输出补偿到D轴电流给定上。
本发明通过查表得到的电流给定叠加上磁链电压环的输出，再进行电流闭环控制，可以解决动态调节过程电压饱和而导致的电机失控问题或者因为直流母线电压检测不准导致的查表法的弱磁电流不对导致电机的失控问题，本发明控制方法将Q轴电流给定通过电压环输出进行校正，以达到输出转矩和目标给定转矩一致，满足电动车的稳定性，快速响应与转矩精度的问题。
附图说明
图1为本发明最大电压环弱磁补偿D轴电流的控制框图；
图2为永磁同步电机三相静止坐标系与两相旋转坐标系下的关系示意图；
图3为根据转速和目标转矩查表法的永磁同步电机转矩控制原理框图；
图4为在查表法基础上加入电压环补偿弱磁电流的转矩控制原理框图；
图5为在查表法基础上加入电压补偿弱磁电流，维持转矩精度的控制原理框图；
图6为在图5所述的控制策略上加入D轴电流给定限幅和Q轴电流给定限幅的控制策略原理框图，也是本发明所提一种永磁同步电机电动车转矩控制原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
步骤一，对永磁同步电机的转速点进行标定。
在同一电流幅值下调整D轴电流和Q轴电流夹角，使得输出的电机转矩达到最大，此时为寻找永磁同步电机最大转矩电流比的点，记录此时的电机转速和转矩，以及D轴电流和Q轴电流给定值，再按一定比例调整电流给定幅值。
分不同的转速点，同样的方法，寻找电机效率最高的D轴/Q轴电流分配方法，记录下一组数据，当电机达到最大转矩或者最大功率后，进行下一个转速点的标定，依此类推，直到达到最大的转速。
步骤二，将标定的数据进行整理，线性化处理得到不同转速不同转矩下的D轴电流和Q轴电流对应的二维表格。该二维表格是控制电机转矩模式下的电流给定依据，这种控制方式不仅能保证转矩控制的精度高，还能保证电机弱磁状态下的稳定以及高效率。通过标定建立的查表法可以保证转矩输出精度高，电机效率高。通过电机当前转速和转矩可以直接查二维表格得到D轴电流给定和Q轴电流给定，标定可以保证转矩精度高，转矩的响应快速性与电流环(电流调节器)的响应快速性一致，由于标定时进行了最大转矩电流比和最大转矩电压比进行电流分配，有效的保证了电机高效率输出。
步骤三，对输出电压进行闭环控制，当电压达到最大输出能力之后，为了保证电机的稳定运行，需要对电压环(电压调节器)进行控制，电压环的输出补偿D轴电流给定，这种方式可以增强查表法的稳定性，在实际系统中，电机进入弱磁状态之后，由于存在动态响应过程还有电机电压电流检测可能存在一定的误差，通过电压环调节可以保证当电压、电流存在偏差或者转速在动态过程滤波延时的情况下，依然能够保证电机控制的稳定性。最大电压环弱磁补偿结构框图如图1所示，其中最大输出电压给定值为Vmax，实际输出电压为Vout，电压环给定量和反馈量的表达式分别为：
Figure BDA0002295535740000051
Figure BDA0002295535740000052
其中，Udc为直流母线电压，ud为电机D轴电压，uq为电机Q轴电压。
通过电压环将输出叠加在D轴电流给定上，可以有效保证电机运行的稳定性。通过查表可以保证电机高速弱磁区的稳定性和高效率，再经过电压环的弱磁补偿，可以保证电机在动态响应过程中的稳定性，也能弥补查表法对系统电压采样精度，电流采样精度要求较高的缺点。
通过电压环补偿一个弱磁电流叠加在查表得到的D轴电流上，这样能保证系统的稳定性，问题是带来了转矩的变化，电机输出的转矩与目标给定转矩就不一致了，解决方法是通过减小Q轴电流给定值，以保证转矩不变，Q轴电流的减少部分通过转矩不变原则，可以根据增加的D轴电流和减少的Q轴电流前后转矩大小不变计算得出，这样既能保证系统的稳定性，又能保证转矩的输出精度。
通过电流给定限幅保证电机输出电流在允许范围以内。D轴给定电流的限幅根据电机允许的最大弱磁电流进行限幅，Q轴给定电流限幅通过最大允许的输出电流减去D轴电流给定值进行限幅，Q轴电流限幅iqmax如公式(7)所示。
步骤四，在查表法加入了电压环控制之后，输出电压限制在最大电压限制以内，电压环的输出可以补偿D轴电流给定，保证电压稳定在最大电压限制以内，但是在D轴电流绝对值变大之后，根据永磁同步电机转矩方程，如果Q轴电流还是按照查表得到的电流给定值，有两个问题，第一是转矩比查表的目标转矩要大，功率可能会超过电机最大功率，第二是输出电流有可能会超过最大电流值，因此当电压环起作用输出的时候，需要对Q轴电流给定也进行补偿。随着电压环输出的弱磁电流补偿值Δid的增大(负向增加)，Q轴电流需要适当减小，才能维持输出转矩与查表转矩一致，Q轴电流减小量为Δiq值。
永磁同步电机电磁转矩的表达式为：
Figure BDA0002295535740000061
在保持转矩Te不变的情况下，电机D轴电流id＝id0+Δid，其中id0为查表得到的电流给定值，Δid为电压环输出的弱磁电流补偿值，id为最终的弱磁电流参考值，随着电压环输出的弱磁电流补偿值Δid的增大(负向增加)，Q轴电流需要适当减小，才能维持输出转矩与查表转矩一致，Q轴电流减小量为Δiq值，随着弱磁电流的增大，如果iq维持不变，对于凸极电机，则输出转矩肯定会大于查表的转矩，为了维持转矩的恒定，iq减少才可以，最终的Q轴电流iq＝iq0-Δiq，那么查表法和加入电压环之后的转矩表达式为：
Figure BDA0002295535740000071
在加入弱磁补偿电流Δid前后转矩不变，则有关系式
Figure BDA0002295535740000072
整理得
步骤五，整个控制系统，将电压环引入，将Δid和Δiq叠加在查表法得到的D轴电流给定和Q轴电流给定上，再对D轴电流最终给定值进行限幅idmax，使得弱磁电流在电机最大允许弱磁电流限制以内，之后将电机和逆变器允许的最大输出电流进行Q轴电流限幅iqmax，保证最终的输出电流不超过最大允许电流值ismax。
Figure BDA0002295535740000074
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种电动车永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：包括如下步骤
步骤一，对永磁同步电机的转速点进行标定：在同一电流幅值下调整D轴电流和Q轴电流夹角，使得输出的电机转矩达到最大，此时为电机最大转矩电流比的点，记录此时的转速、转矩和给定电流，然后调整电流给定幅值，标定下一个电机最大转矩电流比的点，依此类推直到达到最大的转速；
步骤二，将标定的数据进行整理，线性化处理得到不同转速不同转矩下的D轴电流和Q轴电流对应的二维表格；
步骤三，对输出电压进行闭环控制：通过电压环补偿一个弱磁电流叠加在查表得到的D轴电流上；
步骤四，对Q轴电流给定进行补偿：随着电压环输出的弱磁电流补偿值Δid的绝对值增大而减小Q轴电流绝对值，根据永磁同步电机电磁转矩的表达式
Figure FDA0002295535730000011
在保持电机转矩Te不变的情况下，电机的D轴电流id＝id0+Δid，其中id0为查表得到的电流给定值，Δid为电压环输出的弱磁电流补偿值，电机的Q轴电流iq＝iq0-Δiq，基于查表法和加入电压环之后的转矩表达式为：
Figure FDA0002295535730000012
在加入弱磁补偿电流Δid前后转矩不变，则有关系式
Figure FDA0002295535730000013
整理根据如下公式得到Q轴电流减小量Δiq
Figure FDA0002295535730000014
步骤五，将电压环引入，将Δid和Δiq叠加在查表法得到的D轴电流给定和Q轴电流给定上，再对D轴电流最终给定值进行限幅idmax，使得弱磁电流在电机最大允许弱磁电流限制以内，之后按照如下公式将电机和逆变器允许的最大输出电流进行Q轴电流限幅iqmax，保证最终的输出电流不超过最大允许电流值：
Figure FDA0002295535730000021
2.根据权利要求1所述的一种电动车永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述的步骤三中根据下列公式计算得到最大输出电压给定值为Vmax和实际输出电压为Vout：
Figure FDA0002295535730000022
Figure FDA0002295535730000023
其中，Udc为直流母线电压，ud为电机D轴电压，uq为电机Q轴电压。
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