CN112636653A - 一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路，包括永磁同步电机，还包括以下模块：一个三相电路处理模块；一个Clarke正变换模块；一个Park正变换模块和Park逆变换模块；一个角度与速度估算器模块；三个PI比例积分控制器模块；一个通过标定的数值提供电流Id的目标值ID的电流参考点；以及一个空间矢量调制模块。本发明还公开了一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制方法。本发明能够保证永磁同步电机定子与转子磁场垂直，输出最大转矩。

Description

一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路及方法
技术领域
本发明涉及一种汽车电机控制的技术领域，尤其涉及一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路及方法。
背景技术
随着汽车行业技术的发展，电子水泵已取代机械水泵成为汽车热管理系统中的核心部件。汽车电子水泵内部采用的是高功率高密度的永磁同步电机，但若使用高分辨率传感器会增加电机系统成本，另外由于内部结构较难安装传感器，因此需要一种无传感器控制方法。
在无传感器的控制方法中，核心部分是如何估算转子的位置，从而保证永磁同步电机定子与转子磁场垂直，输出最大转矩。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够估算转子的位置，从而保证永磁同步电机定子与转子磁场垂直，输出最大转矩的汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路及方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路，包括永磁同步电机，还包括以下模块：
一个三相电路处理模块；所述的三相电路处理模块的输入端与空间矢量调制模块连接，将空间矢量调制模块生成的三相电机电压信号的脉宽调制信号转换成三相电机交流电输出三相电流ia、ib 以及ic，从而使电机达到相应的转速和转矩；
一个Clarke正变换模块； 所述Clarke正变换模块的输入端与三相电路处理模块的两相输出电流ia、ib连接；
一个Park正变换模块和Park逆变换模块；
一个角度与速度估算器模块；
三个PI比例积分控制器模块；
一个通过标定的数值提供电流Id的目标值ID的电流参考点；
以及一个空间矢量调制模块；
其中，所述Clarke正变换模块的输出端与Park正变换模块的输入端连接，实现由Clarke正变换模块采集得到的两相输出电流ia、ib，计算第三相交流电，然后把以定子为参考的三轴二维坐标系移动到双轴α-β坐标系统上，并保持同样参考，获得输出双轴系统上的iα和iβ并作为Park正变换模块的输入信号；所述Park正变换模块能够根据Clarke正变换模块变换后的iα和iβ, 将双轴α-β正交坐标系统变换到与转子磁通一起旋转的另一个双轴d-q坐标系统，然后输出id和iq，并与角度与速度估算器模块、PI比例积分控制器模块以及ID电流参考点连接提供输入；所述电流参考点与第一PI比例积分控制器模块连接，所述的Park逆变换模块的输入端与第一PI比例积分控制器模块以及第二PI比例积分控制器模块连接，将两个PI比例积分控制器模块输出的旋转d-q坐标轴的Vd, Vq变换到双轴α-β正交坐标系统，然后输出Vα及Vβ作为空间矢量调制模块的输入，所述第二PI比例积分控制器模块通过第三比例积分控制器模块获取角度与速度估算器模块的输出，计算误差并根据误差修正控制量，输出Vd, Vq；所述的空间矢量调制模块通过Park逆变换模块输出的Vα及Vβ生成三相电机电压信号的脉宽调制信号，将三个彼此相差120度相位的三个相电压，作为三相电路处理模块的输入。
作为优选，三个PI比例积分控制器模块相互依赖，其中第三比例积分控制器模块作为外环控制转速，第二PI比例积分控制器模块以及第一PI比例积分控制器模块作为两个内环控制电机电流id和iq，id对应磁通，iq对应电机扭矩。
作为优选，所述的三相电路处理模块包含有依次连接的三相桥式整流器、逆变器、采集和保护电路模块。
本发明还公开了一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制方法，包括采用权利要求1所述的一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、通过测量永磁同步电机定子电流ia值和ib值，然后根据ia + ib + ic = 0的公式计算出ic的值；
S2、通过测量的ia值和ib值以及计算的ic值提供获得iα和iβ的变量，并从定子的角度看，iα值和iβ值是随时间变化的正交电流值，最终将三相电流转换到静止双轴系统；
S3、使用在控制环最后一次迭代时计算的变换角度旋转静止双轴坐标系，并以与转子磁通对准，并通过iα值和 iβ值提供id和iq变量，由于值id和iq是变换到旋转坐标系的正交电流，因此对于稳态条件来说，id值和iq值是恒定；
S4、因此通过id和iq形成误差信号，并根据各自的参考值将误差信号输入到PI比例积分控制器模块，然后由PI比例积分控制器模块的输出提供vd值和vq值，然后将获得vd值和vq值施加到永磁同步电机的电压向量上；
上述的各自的参考值如下所示：
1、id参考，控制转子磁通。
2、iq参考，控制电机转矩输出。
3、将误差信号输入到PI控制器即为PI比例积分控制器模块。
4、控制器的输出提供vd和vq，它们是将施加到电机上的电压向量；
S5、通过位置估算观测器使用vα、vβ、iα和iβ来估算新的变换角度，这一新角度将指导FOC算法确定放置下一个vd值和vq值电压向量的位置；
S6、使用新的角度将来自PI比例积分控制器模块的vd和vq输出值旋转回静止参考坐标系，并将获得的计算数据作为下一个正交电压值vα 和vβ；
S7、将vα和vβ值变换回三相值va、vb和vc，然后利用三相电压值计算生成所需电压向量所用的全新PWM占空比值；
其中，在步骤S5中的位置估算观测器为龙伯格观测器。
本发明的有益效果是：
1、通过无感控制方案降低了电子水泵中永磁同步电机系统的成本和结构的复杂性。
2、 采用降阶龙伯格观测器实现了永磁同步电机转子的位置估算，实现转子位置反馈可控，提高了估算位置精度，提高了永磁同步电机的运行平稳性和系统可靠性。
附图说明
图1为本实施例1中一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路的电路连接示意图；
图2为本实施例1中Clarke正变换模块的输出双轴系统坐标示意图；
图3为本实施例1中Clarke正变换模块的结构示意图；
图4为本实施例1中Park正变换模块的结构示意图；
图5为本实施例1中Park正变换模块的输出双轴系统坐标示意图；
图6为本实施例1中Park逆变换模块的结构示意图；
图7为本实施例1中Park逆变换模块的输出双轴系统坐标示意图；
图8为本实施例1中龙伯格观测器的结构示意图。
图中：永磁同步电机1、三相电路处理模块2、Clarke正变换模块3、Park正变换模块4-1、Park逆变换模块4-2、速度估算器模块5、PI比例积分控制器模块6、第一PI比例积分控制器模块6-1、第二PI比例积分控制器模块6-2、第三比例积分控制器模块6-3、电流参考点7、空间矢量调制模块8。
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。
实施例1：
参照图1，本实施例公开的一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路，包括永磁同步电机1，还包括以下模块：
一个三相电路处理模块2；所述的三相电路处理模块2的输入端与空间矢量调制模块8连接，将空间矢量调制模块8生成的三相电机电压信号的脉宽调制信号转换成三相电机交流电输出三相电流ia、ib 以及ic，从而使电机达到相应的转速和转矩；
一个Clarke正变换模块3； 所述Clarke正变换模块3的输入端与三相电路处理模块2的两相输出电流ia、ib连接；
一个Park正变换模块4-1和Park逆变换模块4-2；
一个角度与速度估算器模块5；
三个PI比例积分控制器模块6；
一个通过标定的数值提供电流Id的目标值ID的电流参考点7；
以及一个空间矢量调制模块8；
其中，所述Clarke正变换模块3的输出端与Park正变换模块4-1的输入端连接，实现由Clarke正变换模块3采集得到的两相输出电流ia、ib，计算第三相交流电，然后把以定子为参考的三轴二维坐标系移动到双轴α-β坐标系统上，并保持同样参考，获得输出双轴系统上的iα和iβ并作为Park正变换模块4-1的输入信号；所述Park正变换模块4-1能够根据Clarke正变换模块3变换后的iα和iβ, 将双轴α-β正交坐标系统变换到与转子磁通一起旋转的另一个双轴d-q坐标系统，然后输出id和iq，并与角度与速度估算器模块5、PI比例积分控制器模块6以及ID电流参考点7连接提供输入；所述电流参考点7与第一PI比例积分控制器模块6-1连接，所述的Park逆变换模块4-2的输入端与第一PI比例积分控制器模块6-1以及第二PI比例积分控制器模块6-2连接，将两个PI比例积分控制器模块6输出的旋转d-q坐标轴的Vd, Vq变换到双轴α-β正交坐标系统，然后输出Vα及Vβ作为空间矢量调制模块8的输入，所述第二PI比例积分控制器模块6-2通过第三比例积分控制器模块6-3获取角度与速度估算器模块5的输出，计算误差并根据误差修正控制量，输出Vd, Vq；所述的空间矢量调制模块8通过Park逆变换模块4-2输出的Vα及Vβ生成三相电机电压信号的脉宽调制信号，将三个彼此相差120度相位的三个相电压，作为三相电路处理模块2的输入。
作为优选，三个PI比例积分控制器模块6相互依赖，其中第三比例积分控制器模块6-3作为外环控制转速，第二PI比例积分控制器模块6-2模块以及第一PI比例积分控制器模块作为两个内环控制电机电流id和iq，id对应磁通，iq对应电机扭矩。
作为优选，所述的三相电路处理模块2包含有依次连接的三相桥式整流器、逆变器、采集和保护电路模块。
在本实施例中 Clarke正变换模块的结构如图3所示，该模块功能是根据三相电路处理模块2采集的两相交流电，根据以下公式:
Figure 593712DEST_PATH_IMAGE001
计算第三相交流电ic的值，然后把以定子为参考的三轴二维坐标系移动到双轴α-β坐标系统上，如下图2所示，保持同样参考，输出双轴系统上的iα和iβ，并作为Park正变换模块4-1的输入的功能；
在本实施例中Park正变换模块4-1的结构如图4所以，功能是根据模块3变换后的iα和iβ, 将双轴α-β正交坐标系统变换到与转子磁通一起旋转的另一个双轴d-q坐标系统，如图5所示，然后根据以下公式：
Figure 666842DEST_PATH_IMAGE002
输出id和iq 的值（θ代表转子角度 ），给角度与速度估算器模块5、PI比例积分控制器模块6以及ID电流参考点7提供输入；
在本实施例中Park逆变换模块4-2的结构如图6所示，其功能是将PI比例积分控制器模块6输出的旋转d-q坐标轴的Vd, Vq变换到双轴α-β正交坐标系统，如图7所示，然后根据以下公式：
Figure 948919DEST_PATH_IMAGE003
计算输出Vα及Vβ的值，作为空间矢量调制模块8的输入。
本实施例还公开了一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制方法，包括采用权利要求1所述的一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、通过测量永磁同步电机1定子电流ia值和ib值，然后根据ia + ib + ic = 0的公式计算出ic的值；
S2、通过测量的ia值和ib值以及计算的ic值提供获得iα和iβ的变量，并从定子的角度看，iα值和iβ值是随时间变化的正交电流值，最终将三相电流转换到静止双轴系统；
S3、使用在控制环最后一次迭代时计算的变换角度旋转静止双轴坐标系，并以与转子磁通对准，并通过iα值和 iβ值提供id和iq变量，由于值id和iq是变换到旋转坐标系的正交电流，因此对于稳态条件来说，id值和iq值是恒定；
S4、因此通过id和iq形成误差信号，并根据各自的参考值将误差信号输入到PI比例积分控制器模块6，然后由PI比例积分控制器模块6的输出提供vd值和vq值，然后将获得vd值和vq值施加到永磁同步电机1的电压向量上；
S5、通过位置估算观测器使用vα、vβ、iα和iβ来估算新的变换角度，这一新角度将指导FOC算法确定放置下一个vd值和vq值电压向量的位置；
S6、使用新的角度将来自PI比例积分控制器模块6的vd和vq输出值旋转回静止参考坐标系，并将获得的计算数据作为下一个正交电压值vα 和vβ；
S7、将vα和vβ值变换回三相值va、vb和vc，然后利用三相电压值计算生成所需电压向量所用的全新PWM占空比值。
其中θ代表转子角度。
在本实施例中：在步骤S5中的位置估算观测器为龙伯格观测器，龙伯格观测器是一种用于在已知输入和输出时确定线性系统的内部状态。
下面说明了用于BEMF功能的降阶龙伯格观测器的实现，BEMF向量位置是通过来自BEMF分量的arctan()运算找到的，BEMF分量来自龙伯格观测器内部状态变量。现在可以找到磁通向量位置，因为其位置比BEMF滞 后90°，速度是通过位置导数获得的。这需要通过大量滤波来提供理想的结果，可以使用四阶滤波器，即一阶FIR滤波器（移动平均）后跟三个相等的一阶IIR滤波器，降阶龙伯格观测器可针对稳态和动态操作条件提供理想的结果，BEMF为反向感应电动势，其中降阶龙伯格观测器的离散实现由以下公式表示
Figure 396298DEST_PATH_IMAGE004
利用以下公式计算BEMF估算值；
Figure 840049DEST_PATH_IMAGE005
其中：
Figure 462791DEST_PATH_IMAGE006
——假想的内部状态变量，不表示α-β参考坐标系中的物理参数。
Figure 282979DEST_PATH_IMAGE007
——α-β参考坐标系中的BEMF状态变量。
Tc——观测器计算的阶跃时间。通常为控制环周期。
Rs——电机的每相定子电阻。
Ls——电机的每相同步电感。
ω——电机的电气速度，单位为rad/s。
0 < ℎ < 1（任意值，其值决定了系统动态值）；
通过本发明实现以下技术效果：
1、通过无感控制方案降低了电子水泵中永磁同步电机系统的成本和结构的复杂性。
2、采用降阶龙伯格观测器实现了永磁同步电机转子的位置估算，实现转子位置反馈可控，提高了估算位置精度，提高了永磁同步电机的运行平稳性和系统可靠性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路，包括永磁同步电机（1），其特征在于：还包括以下模块：
一个三相电路处理模块（2）；所述的三相电路处理模块（2）的输入端与空间矢量调制模块（8）连接，将空间矢量调制模块（8）生成的三相电机电压信号的脉宽调制信号转换成三相电机交流电输出三相电流ia、ib 以及ic，从而使电机达到相应的转速和转矩；
一个Clarke正变换模块（3）； 所述Clarke正变换模块（3）的输入端与三相电路处理模块（2）的两相输出电流ia、ib连接；
一个Park正变换模块（4-1）和Park逆变换模块（4-2）；
一个角度与速度估算器模块（5）；
三个PI比例积分控制器模块（6）；
一个通过标定的数值提供电流Id的目标值ID的电流参考点（7）；
以及一个空间矢量调制模块（8）；
其中，所述Clarke正变换模块（3）的输出端与Park正变换模块（4-1）的输入端连接，实现由Clarke正变换模块（3）采集得到的两相输出电流ia、ib，计算第三相交流电，然后把以定子为参考的三轴二维坐标系移动到双轴α-β坐标系统上，并保持同样参考，获得输出双轴系统上的iα和iβ并作为Park正变换模块（4-1）的输入信号；所述Park正变换模块（4-1）能够根据Clarke正变换模块（3）变换后的iα和iβ, 将双轴α-β正交坐标系统变换到与转子磁通一起旋转的另一个双轴d-q坐标系统，然后输出id和iq，并与角度与速度估算器模块（5）、PI比例积分控制器模块（6）以及ID电流参考点（7）连接提供输入；所述电流参考点（7）与第一PI比例积分控制器模块（6-1）连接，所述的Park逆变换模块（4-2）的输入端与第一PI比例积分控制器模块（6-1）以及第二PI比例积分控制器模块（6-2）连接，将两个PI比例积分控制器模块（6）输出的旋转d-q坐标轴的Vd, Vq变换到双轴α-β正交坐标系统，然后输出Vα及Vβ作为空间矢量调制模块（8）的输入，所述第二PI比例积分控制器模块（6-2）通过第三比例积分控制器模块（6-3）获取角度与速度估算器模块（5）的输出，计算误差并根据误差修正控制量，输出Vd, Vq；所述的空间矢量调制模块（8）通过Park逆变换模块（4-2）输出的Vα及Vβ生成三相电机电压信号的脉宽调制信号，将三个彼此相差120度相位的三个相电压，作为三相电路处理模块（2）的输入。
2.根据权利要求1所述的一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路，其特征在于：三个PI比例积分控制器模块（6）相互依赖，其中第三比例积分控制器模块（6-3）作为外环控制转速，第二PI比例积分控制器模块（6-2）模块以及第一PI比例积分控制器模块作为两个内环控制电机电流id和iq，id对应磁通，iq对应电机扭矩。
3.根据权利要求1所述的一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路，其特征在于：所述的三相电路处理模块（2）包含有依次连接的三相桥式整流器、逆变器、采集和保护电路模块。
4.一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制方法，包括采用权利要求1所述的一种汽车电子水泵永磁同步电机的无感控制电路，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、通过测量永磁同步电机（1）定子电流ia值和ib值，然后根据ia + ib + ic = 0的公式计算出ic的值；
S2、通过测量的ia值和ib值以及计算的ic值提供获得iα和iβ的变量，并从定子的角度看，iα值和iβ值是随时间变化的正交电流值，最终将三相电流转换到静止双轴系统；
S3、使用在控制环最后一次迭代时计算的变换角度旋转静止双轴坐标系，并以与转子磁通对准，并通过iα值和 iβ值提供id和iq变量，由于值id和iq是变换到旋转坐标系的正交电流，因此对于稳态条件来说，id值和iq值是恒定；
S4、因此通过id和iq形成误差信号，并根据各自的参考值将误差信号输入到PI比例积分控制器模块（6），然后由PI比例积分控制器模块（6）的输出提供vd值和vq值，然后将获得vd值和vq值施加到永磁同步电机（1）的电压向量上；
S5、通过位置估算观测器使用vα、vβ、iα和iβ来估算新的变换角度，这一新角度将指导FOC算法确定放置下一个vd值和vq值电压向量的位置；
S6、使用新的角度将来自PI比例积分控制器模块（6）的vd和vq输出值旋转回静止参考坐标系，并将获得的计算数据作为下一个正交电压值vα 和vβ；
S7、将vα和vβ值变换回三相值va、vb和vc，然后利用三相电压值计算生成所需电压向量所用的全新PWM占空比值；
其中，在步骤S5中的位置估算观测器为龙伯格观测器。
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