CN111711394A - 一种电驱动系统永磁同步电机矢量弱磁控制系统 - Google Patents

一种电驱动系统永磁同步电机矢量弱磁控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电驱动系统永磁同步电机矢量弱磁控制系统，该系统由电流闭环调节模块、调制比偏差计算模块、电流特征点设定模块、电流补偿矢量角度计算模块、电流补偿矢量幅值计算模块、电流补偿矢量计算模块和电流指令修正模块组成。本发明以电机三相短路电流为弱磁调节的终点，在发生电压饱和时，均能使电机控制系统退出饱和；电机端部由于存在逆变器通过动力电池母线供电，其端部电压不会低至零，存在较大余量用于应对异常因素；通过引入dq电流同时修正，可以将抗电压饱和的压力分摊至dq电流，避免因单轴电流调节过多而导致输出转矩偏差过大。本发明在保证驱动系统安全的同时，尽可能减小弱磁控制环节对驱动系统输出转矩的影响。

Description

一种电驱动系统永磁同步电机矢量弱磁控制系统
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种电驱动系统永磁同步电机矢量弱磁控制系统。
背景技术
在车用内嵌式永磁同步电机(IPMSM)控制系统中，由于实际应用场景中被控对象—IPMSM不可避免地出现变化而使得控制程序中预先固化的控制参数失效，导致电机高速运行弱磁不足引起电压饱和，危及电机驱动系统的稳定性。
IPMSM具有功率密度大，运行范围宽和效率高的特点而被广泛用于电动汽车的驱动电机，其转矩方程为：
Figure BDA0002577105520000011
其中，Te为电机的电磁转矩；Pn为电机磁极对数；
Figure BDA0002577105520000012
为转子永磁体磁通；iq为q轴电流，id为d轴电流；Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；在IPMSM正常驱动过程中，Te＞0,iq＞0,id＞0,Ld＜Lq。
由上式可以看出，转矩与电流成正相关，但不同的dq轴电流组合会对应不同的转矩，每个固定的电流幅值下都会有一组特定的dq电流组合使电机在该电流下能输出最大的转矩。由于磁场饱和，在电流大于某个范围后dq轴电感Ld、Lq随着电流的变化而变化，变化范围最大可达200％之多。这些参数的变化使得在线求解每个电流下的最优dq电流组合变得十分困难甚至不可行。因此在车用电机控制中，一般通过实验的方法测试标定得到每个转矩对应的最优电流组合。全转矩范围内的所有这样的电流组合连成的线叫做IPMSM的最大转矩电流比(MTPA)曲线。
此外，车用IPMSM的运行依赖由逆变器将动力电池的母线转换为三相交流电，这就意味着电机端电压受到直流母线的约束，IPMSM的电压方程为：
Figure BDA0002577105520000013
Figure BDA0002577105520000014
其中，Vd为电机d轴电压，Vq为电机q轴电压；Rs为定子电阻，ω为电机的电角速度；在高速稳态下，电机端电压Vs的幅值近似为：
Figure BDA0002577105520000015
当电机转速升高时，电机端电压升高，当期超过母线电压能提供的交流电压幅值时就需要进行弱磁控制，而当前母线下能提供的最大交流电压就即为电压限制Vs_lmt，电压限制的表达式一般为：
Figure BDA0002577105520000021
其中，Vdc为母线电压，MImax为电机控制系统最大调制比(maximum modulationindex)，其取值一般为1附近，最大为1.1027。
为了获得既能满足转矩方程，又能满足电压限制的电流组合，仍然通过实验的手段标定获取不同母线和转速下每个转矩对应的dq电流组合；而后将这些数据制成表格存储在数字控制芯片中，在电机实时运行时通过查表将不同转速和母线电压下的转矩指令转换成对应的dq电流指令。
上述过程能正常工作的前提是，通过对样机实验标定获取的电流组合能够适用于同款每一台电机；而在实际应用中，有以下几个方面会造成这种假设不再成立：
1.电机在批量生产时工艺、物料不可避免的会导致电机的不一致性；
2.电机的旋变偏移量产生偏差时会导致控制上磁场定向偏差进而导致电机中的实际dq电流与期望的电流指令不一致，即使在电流调节器正常工作的情况下；
3.环境温度的变化会对永磁体磁链产生影响，在温度降低时，会使
Figure BDA0002577105520000022
升高，导致标定得到的dq电流指令不再满足电压限制。
因此，为了增强电驱动控制系统的高速运行区域的鲁棒性，一般都会加入弱磁控制环节。
针对电机控制弱磁问题，发明专利CN101855825B提出了一种较为代表性的解决方案，即根据电流调节器输出的电压与电压限制作差，得到电压偏差，将该偏差经过比例积分环节(PI)得到Id电流修正量叠加在d轴电流给定上，并对该修正量做了上限为0的限幅，从而加深弱磁，达到弱磁控制的目的，如图1所示。根据式(3)，当
Figure BDA0002577105520000023
时，加大负向的id，可以降低输出电压，即此种方案是有效的。但是当
Figure BDA0002577105520000024
时，继续增加负向的id，则会使得Vq反向增大导致输出电压进一步升高，反而会致使电压饱和现象更为严重。因此，使用该方法时必须要保证
Figure BDA0002577105520000025
但是，在车用电机控制中，如果加入此限制，那么电机在高速区域的磁阻转矩就没有被充分利用，牺牲了电机的性能。
采用上述方案中在电压饱和时降低id的做法，能够加深弱磁场使电机退出电压饱和状态，但是该方法对输出转矩的影响较大，因为仅仅靠修正id，需要较大的id修正量dq电流组合发生较大变化大以至对输出转矩造成较大影响。文献(T.M.Jahns,“Flux WeakeningRegime Operation of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive”,IEEE Trans.on Ind.Appl.,vol.IA-23,no.4,pp.55-63,1987)提出了一种在弱磁区降低iq的方法，但是仅仅调节单个电流同样面临2中提到的对输出转矩造成较大影响的问题；暂未发现较好的现有技术能够很好的即能够有效的应对电压饱和问题，又尽可能小的对输出转矩造成影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种电驱动系统永磁同步电机矢量弱磁控制系统。本发明为了增强电驱动控制系统的高速运行区域的鲁棒性，加入弱磁控制环节。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电驱动系统永磁同步电机矢量弱磁控制系统，由电流闭环调节模块、调制比偏差计算模块、电流特征点设定模块、电流补偿矢量角度计算模块、电流补偿矢量幅值计算模块、电流补偿矢量计算模块和电流指令修正模块组成；
所述电流闭环调节模块将电流指令修正模块修正后的dq电流指令
Figure BDA0002577105520000031
输入比例积分控制器得到dq电压指令vdref、vdref；
所述调制比偏差计算模块对电流闭环调节模块输出的dq电压指令vdref、vdref进行如下处理得到期望的调制比MIref：
Figure BDA0002577105520000032
其中，Vdc为母线电压；再将电机控制系统最大调制比MImax与期望的调制比MIref作差得到ΔMI0，最后经过低通滤波器得到调制比偏差ΔMI：
所述电流特征点设定模块设定电机三相端部短路时的d轴母线电流id_sc为：
Figure BDA0002577105520000033
其中，
Figure BDA0002577105520000034
为转子永磁体磁通，Ld为d轴电感；
所述电流补偿矢量幅值计算模块以调制比偏差计算模块的输出调制比偏差ΔMI为输入，进行如下比例积分调节，得到电流矢量补偿幅值|Δi|：
Figure BDA0002577105520000035
其中，kp为比例积分控制器的比例系数，ki为比例积分控制器的积分系数；
所述电流补偿矢量角度计算模块计算当前运行点(idref，iqref)到(id_sc,0)的电流补偿矢量角度θ：
Figure BDA0002577105520000036
所述电流补偿矢量计算模块根据电流补偿矢量幅值计算模块输出的电流矢量补偿幅值|Δi|和电流补偿矢量角度计算输出的电流补偿矢量角度θ，计算dq轴补偿分量△idref、△idref如下：
Δiqref＝-|Δi|sinθ
Δidref＝|Δi|cosθ
所述电流指令修正模块将电流补偿矢量计算模块的输出△idref、△idref与原始dq电流指令idref、idref进行叠加得到修正后的dq电流指令
Figure BDA0002577105520000041
Figure BDA0002577105520000042
Figure BDA0002577105520000043
本发明的有益效果是：本发明是一种基于电压前馈的车用永磁同步电机端部短路保护系统，在保证驱动系统安全的同时，尽可能减小弱磁控制环节对驱动系统输出转矩的影响，具体为：
1、以电机三相短路电流为弱磁调节的终点，不管当前电机的运行区域在哪里，不再受限于现有技术中
Figure BDA0002577105520000044
的限制，在发生电压饱和时，均能使电机控制系统退出饱和；
2、以电机三相短路电流为弱磁调节的终点，在理想条件下该点的输出电压为零，是电机弱磁运行的极限点；而实际上，电机端部由于存在逆变器通过动力电池母线供电，其端部电压不会低至零，所以本发明中存在较大余量，而该余量可以用于应对如电机转子磁链变化，旋变偏移量偏差等在高速会导致电压饱和的异常因素；
3、通过引入dq电流同时修正，可以将抗电压饱和的压力分摊至dq电流，避免因单轴电流调节过多而导致输出转矩偏差过大。
附图说明
图1为现有技术的弱磁控制系统示意图；
图2是本发明弱磁系统的整体拓扑结构框图；
图3是调制比偏差计算环节示意图；
图4是电流补偿矢量角度变换示意图；
图5是电流补偿矢量幅值变换示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明一种电驱动系统永磁同步电机矢量弱磁控制系统，包括电流闭环调节模块、调制比偏差计算模块、电流特征点设定模块、电流补偿矢量角度计算模块、电流补偿矢量幅值计算模块、电流补偿矢量计算模块和电流指令修正模块，具体为：
(1)电流闭环调节模块：将电流指令修正模块修正后的dq电流指令
Figure BDA0002577105520000057
输入比例积分PI控制器得到dq电压指令vdref、vdref。
Figure BDA0002577105520000051
Figure BDA0002577105520000052
其中，Kpd、Kpq分别是比例积分PI控制器的d轴比例系数、q轴比例系数，Kid、Kiq分别是比例积分PI控制器的d轴积分系数q轴积分系数，id、iq分别为比例积分控制器运行中实时采集的dq轴反馈电流。
(2)如图3所示，调制比偏差计算模块：对电流闭环调节模块输出的dq电压指令vdref、vdref求平方和后开方，再乘以
Figure BDA0002577105520000053
除以母线电压Vdc，得到期望的调制比MIref：
Figure BDA0002577105520000054
将电机控制系统最大调制比MImax与期望的调制比MIref作差，这里的MImax是可以设定的，其理论极限为0.635；令ΔMI0＝MIref-MImax再经过低通滤波器(LPF)得到调制比偏差ΔMI。其中，低通滤波器的作用在于去除dq电流调节器中的高频噪声，使输出弱磁控制系统平滑输出电流修正量，防止电机转矩有较大的波动。
(3)电流特征点设定模块：id_sc为电机三相端部短路时的d轴母线电流，此时电机输出电压为0，是电机的弱磁极限点，其理论值为：
Figure BDA0002577105520000055
其中，
Figure BDA0002577105520000058
为转子永磁体磁通，Ld为d轴电感。由于饱和效应，id_sc会由于d轴电感的变化而变化，但是在电机高速运行区域，稳态下id_sc基本为固定值；需要指出的是，id_sc可能大于电机驱动系统允许的最大电流，而本发明使用的场景是短路电流小于最大电流，这也是车用高速IPMSM电机的普遍特点。
(4)如图4所示，电流补偿矢量幅值计算模块：以调制比偏差ΔMI为输入，进行如下比例积分PI调节，得到电流矢量补偿幅值|Δi|：
Figure BDA0002577105520000056
其中，kp为比例积分控制器的比例系数，ki为比例积分控制器的积分系数。
(5)如图5所示，电流补偿矢量角度计算模块：计算当前运行点(idref，iqref)到(id_sc，0)的电流补偿矢量角度θ；
Figure BDA0002577105520000061
(6)电流补偿矢量计算模块：根据模块(4)中的电流矢量补偿幅值|Δi|和模块(5)中的电流补偿矢量角度θ，计算dq轴补偿分量Δidref、Δidref如下
Δiqref＝-|Δi|sinθ
Δidref＝|Δi|cosθ
(7)电流指令修正模块：将电流补偿矢量计算模块的输出Δidref、Δidref与原始dq电流指令idref、idref进行叠加得到修正后的dq电流指令
Figure BDA0002577105520000062
Figure BDA0002577105520000063
Figure BDA0002577105520000064

Claims (1)

1.一种电驱动系统永磁同步电机矢量弱磁控制系统，其特征在于，由电流闭环调节模块、调制比偏差计算模块、电流特征点设定模块、电流补偿矢量角度计算模块、电流补偿矢量幅值计算模块、电流补偿矢量计算模块和电流指令修正模块等组成。
所述电流闭环调节模块将电流指令修正模块修正后的dq电流指令
Figure FDA0002577105510000011
输入比例积分控制器得到dq电压指令vdref、vdref。
所述调制比偏差计算模块对电流闭环调节模块输出的dq电压指令vdref、vdref进行如下处理得到期望的调制比MIref：
Figure FDA0002577105510000012
其中，Vdc为母线电压；再将电机控制系统最大调制比MImax与期望的调制比MIref作差得到ΔMI0，最后经过低通滤波器得到调制比偏差ΔMI：
所述电流特征点设定模块设定电机三相端部短路时的d轴母线电流id_sc为：
Figure FDA0002577105510000013
其中，
Figure FDA0002577105510000014
为转子永磁体磁通，Ld为d轴电感。
所述电流补偿矢量幅值计算模块以调制比偏差计算模块的输出调制比偏差ΔMI为输入，进行如下比例积分调节，得到电流矢量补偿幅值|Δi|：
Figure FDA0002577105510000015
其中，kp为比例积分控制器的比例系数，ki为比例积分控制器的积分系数；
所述电流补偿矢量角度计算模块计算当前运行点(idref，iqref)到(id_sc,0)的电流补偿矢量角度θ：
Figure FDA0002577105510000016
所述电流补偿矢量计算模块根据电流补偿矢量幅值计算模块输出的电流矢量补偿幅值|Δi|和电流补偿矢量角度计算输出的电流补偿矢量角度θ，计算dq轴补偿分量△idref、△idref如下：
Δiqref＝-|Δi|sinθ
Δidref＝|Δi|cosθ
所述电流指令修正模块将电流补偿矢量计算模块的输出△idref、△idref与原始dq电流指令idref、idref进行叠加得到修正后的dq电流指令
Figure FDA0002577105510000021
Figure FDA0002577105510000022
Figure FDA0002577105510000023
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