CN111262492B - 一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器及方法，包括d轴电流调节器和q轴电流调节器，d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出端分别与过调制装置、抗饱和装置、饱和判断装置相连，所述过调制装置输出端与输出电压重构装置相连。方法包括：计算d轴和q轴电流调节器的输出指令；计算输出电压幅值|V_{s_ref}|；将|V_{s_ref}|与V_{s_lmt}比较；修正电压指令的幅值和相位；根据修正电压重构出实际的d轴电压V_{d_real}和q轴电压V_{q_real}。该技术方案通过引入新的抗饱和算法和设计合理的控制参数，保证电机控制系统有较高的母线电压利用率，提升电机系统高速弱磁区运行的电流控制的稳定性和动态响应，防止电流调节器因饱和而失去调节能力，避免造成重要安全事故。

Description

一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车驱动领域，尤其涉及一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器及方法。

背景技术

电动汽车普遍采用永磁同步电机作为驱动装置。其工作流程为：整车下发转矩指令至电机控制器，电机控制器将转矩指令转换为对应的电流指令，通过电机控制算法计算响应该电流需要的电压指令，最后通过脉宽调制(PWM)技术将来源于动力电池的直流电转换成交流电驱动电机完成转矩响应。由上述工作流程可知，电机实现转矩输出的过程本质上是电流输出，因此电流控制在电动汽车电机控制器中起着至关重要的作用。电流调节器的一般拓扑为比例加积分环节，其输出为电压指令，该电压指令实际能够输出的电压在母线电压固定时存在一个上限，当实际电流无法跟踪给定，比例积分调节器的输出超出逆变器实际能输出的电压，积分器一直增加而实际电流不增加，此现象为电流调节器饱和现象。饱和之后，电流调节器不再具有电流调节能力，也意味着电流不再受控，整车输出转矩不再响应驾驶员意图，严重时会造成重大安全事故。因此，抗饱和能力对于电流调节器十分重要。

电动汽车用电机控制的特点在于，母线电压受到动力电池的约束，导致逆变器实际能输出的交流电压存在上限，电机高速运行时需要弱磁运行，电压利用率越低则弱磁电流越大，降低系统效率影响续航，而提高母线的电压利用率则能够有效减小弱磁电流，一般通过过调制技术实现电压利用率的提升。提高母线的电压利用率会引起电流控制余量不足出现饱和问题导致系统失控，造成安全性问题。

中国专利文献CN104135206A中公开了一种基于反向计算的电流抗饱和控制方案，但是没有涉及PWM过调制运行的情况。当电流调节器输出电压运行至过调制区域时，抗饱和功能生效，避免电机进入过调制区域，这会导致电机控制系统电压利用率偏低。此外，如果通过修改参数使该方案支持运行在过调制区，该方法也无法完全表征此时的输出电压，影响抗饱和性能，造成电流控制震荡。

发明内容

本发明主要解决原有的电流抗饱和技术无法直接应用于带过调制运行的电流控制的技术问题，提供一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器及方法，通过引入新的抗饱和算法和设计合理的控制参数，能够保证电机控制系统有较高的母线电压利用率，提升电机系统高速弱磁区运行的电流控制的稳定性和动态响应，同时在电压余量较小时，防止电流调节器因饱和而失去调节能力，避免造成重要安全事故。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器，包括d轴电流调节器和q轴电流调节器，d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出端分别与过调制装置、抗饱和装置、饱和判断装置相连，所述过调制装置输出端与输出电压重构装置相连。

作为优选，所述的输出电压重构装置输出端与抗饱和装置输入端相连。计算出实际生效的d轴电压V_{d_real}和q轴电压V_{q_real}与d轴和q轴电压指令的偏差ΔV_d和ΔV_q，分别计算dq轴抗饱和分量k_awd·ΔV_d和k_awq·ΔV_q，当抗饱和功能使能时，分别将这两项送入对应的电流调节器的积分器。

一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器的应用方法，包括以下步骤：

(1)计算d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出指令；

(2)根据d轴和q轴电压指令计算得到输出电压幅值|V_{s_ref}|；

(3)将输出电压幅值|V_{s_ref}|与V_{s_lmt}比较，判断抗饱和功能是否使能；

(4)过调制装置对电压指令的幅值和相位进行修正并输出；

(5)输出电压重构装置根据修正电压重构出实际的d轴电压V_{d_real}和q轴电压V_{q_real}。

作为优选，所述的步骤1的d轴电流调节器的输出为：

V_{d_ref}＝k_{p_d}·Δi_d+∫k_{i_d}·Δi_d

q轴电流调节器的输出为：

V_{q_ref}＝k_{p_q}·Δi_q+∫k_{i_q}·Δi_q

其中k_{p_d}等于d轴电感L_d乘以电流调节器设计带宽w_BW,k_{i_d}等于电机定子电阻R_s乘以w_BW，k_{p_q}等于q轴电感L_q乘以电流调节器设计带宽w_BW,k_{i_q}等于电机定子电阻R_s乘以w_BW。

作为优选，所述的步骤2的输出电压幅值|V_{s_ref}|：

作为优选，所述的步骤3的

当

时，直接输出d轴电流调节器的输出指令V_{d_ref}和q轴电流调节器的输出指令 V_{q_ref}；当

逆变器进入过调制装置进行修正。

作为优选，所述的步骤3判断d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出指令是否需要修正的同时，通过输出电压的幅值|V_{s_ref}|判断是否出现饱和而决定抗饱和功能是否开启，开启时Flag_AW＝1，反之Flag_AW＝0.其判据为：

作为优选，抗饱和装置根据反馈的d轴和q轴电压与d轴和q轴电压指令的偏差ΔV_d和ΔV_q，分别计算dq轴抗饱和分量k_awd·ΔV_d和k_awq·ΔV_q，当抗饱和功能使能时，分别将这两项送入对应的电流调节器的积分器。

作为优选，所述的步骤4抗饱和装置使能后，d轴电流调节器的输出为：

V_{d_ref}＝k_{p_d}·Δi_d+∫k_{i_d}·(k_awd·ΔV_d+Δi_d)

q轴电流调节器的输出为：

V_{q_ref}＝k_{p_q}·Δi_q+∫k_{i_q}·(k_awq·ΔV_q+Δi_q)

其中k_awd＝1/k_{p_d}，k_awq＝1/k_{p_q}。

作为优选，所述的步骤4在经过过调制装置时，期望电压在某些区域会超出电压六边形范围。为了输出期望电压，需要对初始电压矢量

进行修正，使其落在电压六边形的边缘或内部，实际输出的电压矢量被修正成

根据该电压矢量重构出实际生效的dq电压指令用于电流调节器的抗饱和。

本发明的有益效果是：通过引入新的抗饱和算法和设计合理的控制参数，能够保证电机控制系统有较高的母线电压利用率，提升电机系统高速弱磁区运行的电流控制的稳定性和动态响应，同时在电压余量较小时，防止电流调节器因饱和而失去调节能力，避免造成重要安全事故。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理连接结构框图。

图2是本发明的电压六边形范围图。

图中 1 d轴电流调节器，2 q轴电流调节器,3过调制装置,4输出电压重构装置,5抗饱和装置,6饱和判断装置。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器，如图1所示，包括d轴电流调节器1和q轴电流调节器2，d轴电流调节器1和q轴电流调节器2的输出端分别与过调制装置3、抗饱和装置5、饱和判断装置6相连。将d轴电流调节器的输出指令V_{d_ref}和q轴电流调节器的输出指令V_{q_ref}传输到过调制装置3、抗饱和装置5、饱和判断装置6。过调制装置3输出端与输出电压重构装置4相连，将修正电压传输给输出电压重构装置，重构出实际的d轴电压V_{d_real}和q轴电压V_{q_real}。输出电压重构装置4输出端与抗饱和装置5输入端相连。重构出实际生效的d轴电压指令V_{d_real}和q轴电压指令V_{q_real}与电流控制器输出的原始d轴和q轴电压指令的偏差ΔV_d和ΔV_q，分别计算dq轴抗饱和分量k_awd·ΔV_d和k_awq·ΔV_q，当抗饱和功能使能时，分别将这两项送入对应的电流调节器的积分器。

一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器的应用方法，包括以下步骤：

(1)计算d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出指令；d轴电流调节器的输出为：

V_{d_ref}＝k_{p_d}·Δi_d+∫k_{i_d}·Δi_d

q轴电流调节器的输出为：

V_{q_ref}＝k_{p_q}·Δi_q+∫k_{i_q}·Δi_q

其中k_{p_d}等于d轴电感L_d乘以电流调节器设计带宽w_BW,k_{i_d}等于电机定子电阻R_s乘以w_BW，k_{p_q}等于q轴电感L_q乘以电流调节器设计带宽w_BW,k_{i_q}等于电机定子电阻R_s乘以w_BW。

(2)根据d轴和q轴电压指令计算得到输出电压幅值|V_{s_ref}|；输出电压幅值|V_{s_ref}|：

(3)将输出电压幅值|V_{s_ref}|与V_{s_lmt}比较，判断抗饱和功能是否使能；其中，

当

时，直接输出d轴电流调节器的输出指令V_{d_ref}和q轴电流调节器的输出指令V_{q_ref}；当

逆变器进入过调制装置进行修正。

(4)过调制装置对电压指令的幅值和相位进行修正并输出；经过过调制装置时，期望电压在某些区域会超出电压六边形范围，如图2。为了输出期望电压，需要对初始电压矢量

进行修正，使其落在电压六边形的边缘或内部。计算电压矢量的相位时，考虑到算法实施的载体-数字控制芯片的特性，第k拍电流调节得到的输出电压会在第(k+1)拍生效，因此需要对相位进行补偿。补偿值θ_comp等于1.5倍相邻两次转子位置采样的差值，最终计算的电压相位θ_u＝θ_comp+θ_dq+θ_r,其中θ_r为转子位置；

经过相位补偿的电压即为第(k+1)拍的输出电压，经过一拍延时用于第(k+1)拍电流调节的抗饱和计算。经过OVM装置，实际输出的电压矢量被修正成

(5)输出电压重构装置根据修正电压重构出实际的d轴电压V_{d_real}和q轴电压V_{q_real}；

(6)抗饱和装置根据实际的d轴电压V_{d_real}和q轴电压V_{q_real}与d 轴电流调节器的输出指令V_{d_ref}和q轴电流调节器的输出指令V_{q_ref}，求出偏差ΔV_d和ΔV_q，分别计算dq轴抗饱和分量k_awd·ΔV_d和k_awq·ΔV_q，当抗饱和功能使能时，分别将这两项送入对应的电流调节器的积分器。

(7)通过输出电压的幅值|V_{s_ref}|判断是否出现饱和而决定抗饱和功能是否开启，开启时Flag_AW＝1，反之Flag_AW＝0.其判据为：

当Flag_AW＝0，抗饱和功能不使能，dq轴反馈电压V_{d_real}、V_{q_real}分别等于V_{d_ref}、V_{q_ref}；当Flag_AW＝1，dq轴反馈电压V_{d_real}、V_{q_real}分别等于V_{d_real0}、 V_{q_real0},此时为过调制区重构后的电压，在电流调节器饱和后小于初始电压指令，利用此偏差实现电流环抗饱和功能。

(8)抗饱和装置使能后，d轴电流调节器的输出为：

V_{d_ref}＝k_{p_d}·Δi_d+∫k_{i_d}·(k_awd·ΔV_d+Δi_d)

q轴电流调节器的输出为：

V_{q_ref}＝k_{p_q}·Δi_q+∫k_{i_q}·(k_awq·ΔV_q+Δi_q)

其中k_awd＝1/k_{p_d}，k_awq＝1/k_{p_q}。

电流调节抗饱和装置使能之后，实际输出电压V_{d_real}和V_{q_real}在一个电周期内的大部分时间内均小于指令电压V_{d_ref}和V_{q_ref},即ΔV_d和ΔV_q为负，这样就能够在出现饱和时，即电流调节器的输出大于PWM的输出能力时，对积分器输出进行削弱，避免积分项过大，使电流调节器的输出能够保证维持在非饱和状态。当电流指令发生变化时，电流调节器仍具有电流控制能力，控制电机的输出转矩。同时，通过合理控制抗饱和装置开启的条件，能够利用过调制装置提高电机驱动系统的稳态电压输出，降低电机的弱磁电流，提高弱磁区电机的峰值功率输出，在保证安全的条件下，最大限度的利用电机的输出能力。

Claims (6)

1.一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器的应用方法，其特征在于，包括d轴电流调节器(1)和q轴电流调节器(2)，d轴电流调节器(1)和q轴电流调节器(2)的输出端分别与过调制装置(3)、抗饱和装置(5)、饱和判断装置(6)相连，所述过调制装置(3)输出端与输出电压重构装置(4)相连，输出电压重构装置(4)输出端与抗饱和装置(5)输入端相连；

包括以下步骤：

①计算d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出指令；

②根据d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出指令计算得到输出电压幅值|V_{s_ref}|；

③将输出电压幅值|V_{s_ref}|与输出电压上限V_{s_lmt}比较，判断抗饱和功能是否使能，

当

时，直接输出d轴电流调节器的输出指令V_{d_ref}和q轴电流调节器的输出指令V_{q_ref}；当

逆变器进入过调制装置进行修正，V_dc为母线电压，抗饱和装置根据经过修正重构的d轴和q轴电压与d轴和q轴电压指令的偏差ΔV_d和ΔV_q，分别计算dq轴抗饱和分量k_awd·ΔV_d和k_awq·ΔV_q，当抗饱和功能使能时，分别将这两项送入对应的电流调节器的积分器，k_awd为d轴抗饱和系数，k_awq为q轴抗饱和系数；

④过调制装置对电压指令的幅值和相位进行修正并输出；

⑤输出电压重构装置根据修正电压重构出实际的d轴电压V_{d_real}和q轴电压V_{q_real}。

2.根据权利要求1所述的一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器的应用方法，其特征在于，所述步骤①的d轴电流调节器的输出指令为：

V_{d_ref}＝k_{p_d}·Δi_d+∫k_{i_d}·Δi_d

q轴电流调节器的输出指令为：

V_{q_ref}＝k_{p_q}·Δi_q+∫k_{i_q}·Δi_q

其中k_{p_d}等于d轴电感L_d乘以电流调节器设计带宽w_BW，k_{i_d}等于电机定子电阻R_s乘以w_BW，k_{p_q}等于q轴电感L_q乘以电流调节器设计带宽w_BW，k_{i_q}等于电机定子电阻R_s乘以w_BW，Δi_d为d轴电流给定与反馈偏差，Δi_q为d轴电流给定与反馈偏差。

3.根据权利要求2所述的一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器的应用方法，其特征在于，所述步骤②的输出电压幅值|V_{s_ref}|：

4.根据权利要求1所述的一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器的应用方法，其特征在于，所述步骤③判断d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出指令是否需要修正的同时，通过输出电压的幅值|V_{s_ref}|判断是否出现饱和而决定抗饱和功能是否开启，开启时Flag_AW＝1，反之Flag_AW＝0，其判据为：

5.根据权利要求1所述的一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器的应用方法，其特征在于，所述步骤④抗饱和装置使能后，d轴电流调节器的输出指令为：

V_{d_ref}＝k_{p_d}·Δi_d+∫k_{i_d}·(k_awd·ΔV_d+Δi_d)

q轴电流调节器的输出指令为：

V_{q_ref}＝k_{p_q}·Δi_q+∫k_{i_q}·(k_awq·ΔV_q+Δi_q)

其中k_awd＝1/k_{p_d}，k_awq＝1/k_{p_q}，k_{p_d}为d轴电流环PI比例系数，k_{p_q}为q轴电流环PI比例系数，k_{i_d}为d轴电流环PI积分系数，k_{i_q}为q轴电流环PI积分系数。

6.根据权利要求1所述的一种车用永磁同步电机的抗饱和电流调节器的应用方法，其特征在于，所述步骤④在经过过调制装置时，期望电压在某些区域会超出电压六边形范围，为了输出期望电压，需要对初始电压矢量

进行修正，使其落在电压六边形的边缘或内部，实际输出的电压矢量被修正成

其中θ_u为电压相位，θ′_u为补偿电压相位。

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