CN112994550A - 一种车用永磁同步电机弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车用永磁同步电机弱磁控制方法，属于汽车技术领域。它解决了现有的技术电机效率在全转速段效率不高及高速动态稳定性不高的问题。本车用永磁同步电机弱磁控制方法包括：预先标定弱磁电流控制表；采集永磁同步电机的转速反馈值,将转矩给定值与转速反馈值通过查询弱磁电流控制表获得d轴电流参考值和q轴电流参考值；对采集到的三相电流值进行Clark变换和Park变换后得到d轴电流反馈值和q轴电流反馈值并与d轴电流参考值和q轴电流参考值分别进行作差，再将差值分别通过PI控制得到d轴电压值和q轴电压值，进而进行Park逆变换和电压矢量脉宽调制后输出六路PWM波形从而驱动永磁同步电机运行。本发明能够提高电机工作效率。

Description

一种车用永磁同步电机弱磁控制方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及一种车用永磁同步电机弱磁控制方法。

背景技术

在永磁同步电机控制中，一个核心的问题是直轴电流Id和交轴电流Iq分配问题，它直接关系到系统输出的扭矩和输出的效率。假定控制系统转矩命令Te是一个恒定值，根据电机的运行状态，我们把控制分成三个阶段：最大转矩电流比(MTPA)阶段，恒转矩阶段，最大功率阶段(MTPV)。

通常情况下，根据以上分析来说，一般做法就是利用扭矩公式，同时在参考电机设计放给出的仿真数据，计算不同扭矩下idiq值，这种原理因本身的电机参数非线性问题，故实际输出扭矩精度较差，一般能达到+-5％甚至在峰值扭矩点偏差达到10Nm以上。因为，采用上述计算id/iq电流的方式，使得在MTPA阶段没有找到最优的idiq组合，从而使得电机的铜耗就会偏大，导致了整体的电机效率也会明显受到影响。

同时，在算出不同转矩下的id和iq值后，随着转速上升，由于永磁同步电机转子为永磁体，其固有特性，电机的感应反电动势会随着转速成比例上升，当此反电动势达到逆变器最大的端电压值后，已经达到极限，此时如若还需要提升转速，必须要降低电压，一般做法就是控制器实时监测电机端电压，然后与逆变器最大极限值进行比较，一旦超过，就会通过一个电压闭环PI控制器进行调节，并利用电机数学公式，输出一个弱磁电流，将此电流加到MTPA算出的id值上，并利用扭矩公式算出该扭矩下的iq。

这种弱磁控制方法，在中高速阶段，特别是扭矩比较大的时候，这个电压闭环考验压力很大，一旦PI参数调整不是最佳，很容易出现电压饱和现象，轻者功率，扭矩特性达不到要求，调节不好会出现系统失控现象，重者控制器过流，从而损害控制器，同时在急加速或者急减速工况下，单纯采用电压闭环的弱磁控制策略也容易导致上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种车用永磁同步电机弱磁控制方法，其所要解决的技术问题是：如何提高电机工作效率。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种车用永磁同步电机弱磁控制方法，包括如下步骤：

A、预先标定弱磁电流控制表并存储于永磁同步电机控制器中；

B、采集永磁同步电机的三相电流值，对采集到的三相电流值进行Clark变换和Park变换后得到永磁同步电机在dq轴坐标下的d轴电流反馈值和q轴电流反馈值；

C、采集永磁同步电机的转速反馈值,将转矩给定值和转速反馈值通过查询步骤A的弱磁电流控制表，从而获得对应转矩给定值的d轴电流参考值和q轴电流参考值；

D、将步骤C中获得的d轴电流参考值和q轴电流参考值分别与步骤B得到的d轴电流反馈值和q轴电流反馈值进行作差后，分别进行PI控制得到dq轴坐标系下的d轴电压值和q轴电压值；

E、将d轴电压值和q轴电压值进行Park逆变换和电压矢量脉宽调制后输出六路PWM波形从而驱动永磁同步电机运行。

本车用永磁同步电机弱磁控制方法中，Park变换，中文名称为派克变换，用于将定子的u、v、w三相电流投影到随着转子旋转的直轴(d轴)，交轴(q轴)与垂直于dq平面的零轴(0轴)上去，从而实现了对定子电感矩阵的对角化，对同步电动的运行分析起到了简化作用。Clark变换，中文名称为克拉克变换，用于将将定子的u、v、w三相电流变换到静止的αβ坐标系下。

在工作时，首先采集永磁同步电机的转速反馈值，并将转速控制指令和转速反馈值的差值进行PI控制得到转矩给定值，然后根据转矩给定值进行查询弱磁电流控制表，可得到最优的d轴电流参考值和q轴电流参考值，同时，将采集到的三相电流值，即U相电流值、V相电流值和W相电流值进行Clarke变换，将该三相电流转化成两相静止电流，包括α轴电流和β轴电流，然后进行Park变换得到d轴电流反馈值和q轴电流反馈值，将这两个值与查表获得的d轴电流参考值和q轴电流参考值进行作差，将差值进行PI控制得到d轴电压值和q轴电压值，然后将上述两个值进行Park逆变换和电压矢量脉宽调制后输出六路PWM波形从而驱动电机的运行。本弱磁控制方法中，通过查表来获得d轴电流参考值和q轴电流参考值，由于弱磁电流控制表在标定时获取的d轴电流参考值和q轴电流参考值为最优值，因此在控制时能够保持永磁同步电机的最优控制，使永磁同步电机始终在电机的最佳工作点进行控制，有效地减小了电机铜耗的损失，增加了电机的效率。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤C中，当永磁同步电机控制器处于转矩控制模式时，转矩给定值为整车控制器发出的转矩控制指令。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤C中，当永磁同步电机控制器处于转速控制模式时，转矩给定值的获取操作为：

整车控制器发出转速控制指令，再通过转速控制指令和转速反馈值进行作差后进行PI控制得到转矩给定值。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤D中，在得到dq轴坐标系下的d轴电压值和q轴电压值后，根据d轴电压值和q轴电压值进行补偿调节获得d轴电流补偿值，并将该d轴电流补偿值加到d轴电流参考值上后与步骤A得到的d轴电流反馈值进行作差。通过补偿调节能够弥补因控制器参数不匹配可能导致的系统稳定及可靠性问题，有效提高了系统稳定性。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤D中，补偿调节的操作包括：

首先根据d轴电压值和q轴电压值进行计算获得电机端电压，再将电机端电压与最大输出电压之间的差值进行PI控制得到d轴电流补偿值，并将该d轴电流补偿值加到d轴电流参考值上。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤D中，电机端电压的计算公式如下：

其中，U_s为电机端电压；U_d为d轴电压值；U_q为q轴电压值；

最大输出电压的计算公式为：

其中，U_max为最大输出电压；U_dc为直流母线电压。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤A中，所述弱磁电流控制表的标定操作包括：

基于电机测试台架找取各电机转速下对应的定子电流和最优功角，并利用电机公式计算得出当前电机转速下的d轴电流参考值和q轴电流参考值，之后将不同转速下的d轴电流参考值和q轴电流参考值通过拟合的方式形成连续化，做成弱磁电流控制表导入到永磁同步电机控制器中。通过这样的操作方式，可获得全转速段全扭矩段最优的d轴电流参考值和q轴电流参考值组合，这样的最优组合使得电机能够在全转速段都能稳定运行，满足车辆的稳定可靠性要求。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤A中，电机公式为：

其中，I_dref为d轴电流参考值；I_s为定子电流；θ为最优功角；I_qref为q轴电流参考值。在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤A中，基于电机测试台架找取各电机转速下对应的定子电流和最优功角的步骤包括：

A01、依次给定不同数值的电机转速；

A02、在同一电机转速下，给定以预设步长依次增加的定子电流；

A03、在电机运行状态为最大转矩电流比阶段时，在各给定的定子电流下，通过调节不同的功角，使扭矩传感器获取的电机扭矩值为最大电机扭矩值时，记录当前对应该最大电机扭矩值的功角为最优功角。在获取到固定定子电流下的最优功角时，就能够适配到最优的d轴电流参考值和q轴电流参考值组合，为提升电机的效率提供了保证。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤A中，基于电机测试台架找取各电机转速下对应的定子电流和最优功角的步骤还包括：

在所述步骤A03中，在电机运行状态为最大功率阶段时，通过调节不同的功角，使输出电压利用率最大时，记录当前的功角为最优功角；

在电机运行状态为恒转矩阶段时，根据电机扭矩值最大或电压利用率最大的方式来记录最优功角。

车辆的电池电压动态变化会导致系统不稳定，根据电压利用率进行获取定子电流和最优功角，从而获得最优的d轴电流参考值和q轴电流参考值，在电机进行控制时，能够进行精确查表，使电机始终在最佳工作点进行控制，使得效率最优，稳定性得到保证。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤A01中，电压利用率通过以下公式进行计算获得：

其中，U_s为电机端电压；U_dc为直流母线电压。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤A01中，在给定低转速段或中高转速段的一个电机转速之前首先固定一个母线电压。由于在实际运行工况中，车辆的电池电压是会动态变化的，因此还需要对基于不同电压下的最优的d轴电流参考值和q轴电流参考值组合进行标定，从而形成弱磁电流控制表，这样在查表时能够获得更准确地d轴电流参考值和q轴电流参考值，保证了全电压范围段都能维持电机在最优控制，在满足系统稳定性的同时，提高了系统效率。

在上述的车用永磁同步电机弱磁控制方法中，在所述步骤A01中，固定的一个母线电压包括最高电压、最低电压和额定电压。分别对最高电压/最低/电压额定电压进行最优d轴电流参考值和q轴电流参考值的标定，然后对最高电压/最低/电压额定电压下获得的数据进行插值拟合处理，中间有相应的滞环处理，以满足电动汽车的实际运行工况。这样在全电压范围段都能维持电机的最优控制，在满足系统稳定性的同时，提高了系统效率。

与现有技术相比，本车用永磁同步电机弱磁控制方法具有以下优点：

1、本发明预先对弱磁电流控制表进行标定并存储，弱磁电流控制表根据电机测试台架进行实测，d轴电流参考值和q轴参考值为对应不同转速/不同转矩/电压下的最优控制参数，在电机弱磁控制时根据查询弱磁电流控制表能够使最优的d轴电流参考值和q轴参考值组合被选取，使电机在全转速段，全功率范围内以及全电压范围内都能保持系统稳定，在提高扭矩控制精度的同时，增加了电机效率，从而提高了系统效率，增加了车辆的续驶里程,有效解决了现有的技术电机效率在全转速段效率不高及高速动态稳定性不好的问题。

2、本发明在某些极限工况，比如急加速或者急减速时候，特别时在电机高速工况下，通过电压闭环进行调节，能够有效弥补因控制器参数不匹配可能导致的系统稳定及可靠性问题，有效提高了系统效率和稳定性。

附图说明

图1是本发明的控制电路图。

图2是本发明弱磁电流控制表标定的控制流程图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1、2所示，本车用永磁同步电机弱磁控制方法首先对弱磁电流控制表进行标定，并将标定完成的弱磁电流控制表存储于永磁同步电机控制器中；弱磁电流控制表中的各数值参数由电机测试台架上进行测试获得，电机台架包含一个测功机，主要提供转速控制，一个被测电机及被测控制器，中间电机由联轴器相连，里面有个扭矩传感器，能够实时获取电机的扭矩值。在进行标定时，具体操作包括：

先固定一个母线电压，一般是额定母线电压，如350V，再固定一个电机转速，电机转速可根据电机运行状态的三个阶段进行标定，在最大转矩电流比(MTPA)阶段，比如1000rpm，然后给定一定的定子电流I_s,比如20A，然后根据扭矩传感器实时获取的电机扭矩值，通过调整不同的功角，当获取的电机扭矩值最大时，记录当前的功角为最优功角，将当前的定子电流I_s和最优功角θ进行记录存储。在测试完当前的定子电流I_s，如20A之后，以预设步长增加定子电流I_s的数值，预设步长可设为20A，即在测试完20A的定子电流后，对40A的定子电流进行测试最优功角，以上述步骤进行重复操作，直到测试电机的最大电流点；在测完这个1000rpm的电机转速下的定子电流数值之后，就测下一个电机转速，比如1200rpm、1400rpm、1600rpm等，知道测试完最大转矩电流比(MTPA)阶段的电机转速。在最大功率阶段(MTPV)，首先也是固定一个电机转速，比如7000rpm，然后给定一定的定子电流I_s，比如20A，通过调节不同的功角，使输出电压利用率最大，比如96％-98％时，记录当前的功角为最优功角。以此重复测试不同定子电流的最优功角直到测试电机的最大电流点。之后改变电机转速通过电压利用率判断的方式重复测试直到测试电机的最大转速点。电压利用率通过以下公式进行计算获得：

其中，U_s为电机端电压；U_d为d轴电压值；U_q为q轴电压值；U_dc为直流母线电压。

在电机的运行状态为恒转矩阶段，可利用最大电机扭矩或最大电压利用率来进行测试获取定子电流I_s和最优功角θ。

在额定母线电压下，对全电机转速段的定子电流I_s和最优功角θ进行测试完成后，重新固定一个新的母线电压，如最低母线电压，如260V，之后根据上一段进行重复操作。这个最低母线电压也测试完之后则重新固定一个新的母线电压，如最高母线电机，如400V，继续上一段获取定子电流I_s和最优功角θ的测试操作。

在获取不同母线电压等级和不同电机转速下的定子电流I_s和最优功角θ后，利用电机公式，根据各自对应的定子电流I_s和最优功角θ，计算对应不同母线电压和不同电机转速的d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref，然后将离散的数据通过数据处理工具比如MATLAB等采用拟合或者插值的方法连续化，其中的插值和线性拟合为现有的数据连续化处理方式，插值的方法为在两个数字之间插入一些值，然后要符合一定的规律进行插入相应的数字，拟合的方法为摸索两个数字的规律，找到之后，按照这个规律拟合后面的数据，之后做成表格导入到永磁同步电机控制器中。

电机公式为：

其中，I_dref为d轴电流参考值；I_s为定子电流；θ为最优功角；I_qref为q轴电流参考值。本弱磁电流控制表的标定方法是根据电机特性，最优控制下进行标定的，电流越大，那么损耗就越大，都是以最小的电流得到最大的扭矩来进行标定的，因此标定获得的各项数值，如d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref，能够保证电机效率和扭矩控制精度都是最优的。

当车辆处于转速控制模式下，永磁同步电机控制器接收到转速控制指令需求并加到永磁同步电机上，那么电机就转起来了，就产生了电机转速，通过电流传感器可采集到该电机转速，即电机转速反馈值ω，并将转速控制指令ω_r和转速反馈值ω的差值进行PI控制得到转矩给定值T_e，然后根据转矩给定值T_e和转速反馈值ω进行查询预存的弱磁电流控制表，可得到d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref；或者当永磁同步电机控制器处于转矩控制模式时，获取整车控制器VCU的CAN需求扭矩指令，将该扭矩指令与实际转速反馈值通过查询弱磁电流控制表获得d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref；同时，将采集到的三相电流，包括U相电流值、V相电流值和W相电流值进行Clarke变换，将该三相电流转化成两相静止电流，包括d轴电流I_α和β轴电流I_β，然后进行Park变换得到d轴电流反馈值I_d和q轴电流反馈值I_q，将d轴电流反馈值I_d和q轴电流反馈值I_q分别与d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref进行作差，将差值进行PI控制得到d轴电压值U_d和q轴电压值U_q，然后将d轴电压值U_d和q轴电压值U_q进行Park逆变换和电压矢量脉宽调制后输出六路PWM波形从而驱动电机的运行。

在根据电流传感器采集到的电机转速判断车辆此时处于急加速或急减速或者电机高速工况下，将得到dq轴坐标系下的d轴电压值U_d和q轴电压值U_q进行补偿调节获得d轴电流补偿值I′_d，并将该d轴电流补偿值I′_d加到d轴电流参考值I_dref上后与d轴电流反馈值I_d进行作差，将差值进行PI控制得到d轴电压值U_d，将d轴电压值U_d和q轴电压值U_q进行Park逆变换和电压矢量脉宽调制。其中，电压闭环调制具体为：首先根据d轴电压值U_d和q轴电压值U_q进行计算获得电机端电压U_s，再将电机端电压U_s与最大输出电压U_max之间的差值进行PI控制得到d轴电流补偿值I_dref，并将该d轴电流补偿值I_dref加到d轴电流参考值I_d上。其中，电机端电压U_s的计算公式如下：

其中，U_s为电机端电压；U_d为d轴电压值；U_q为q轴电压值；

最大输出电压U_max的计算公式为：

其中，U_max为最大输出电压；U_dc为直流母线电压。

本弱磁控制方法中，通过查弱磁电流控制表来获得d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref，再通过作差、PI控制、补偿调节、Park逆变换和电压矢量脉宽调制来获得用于驱动电机的运行的六路PWM波形，由于弱磁电流控制表在标定时获取的d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref为最优值，因此在控制时能够保持永磁同步电机的最优控制，使永磁同步电机始终在电机的最佳工作点进行控制，有效地减小了电机铜耗的损失，增加了电机的效率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、预先标定弱磁电流控制表并存储于永磁同步电机控制器中；

B、采集永磁同步电机的三相电流值，对采集到的三相电流值进行Clark变换和Park变换后得到永磁同步电机在dq轴坐标下的d轴电流反馈值和q轴电流反馈值；

C、采集永磁同步电机的转速反馈值,将转矩给定值和转速反馈值通过查询步骤A的弱磁电流控制表，从而获得对应转矩给定值的d轴电流参考值和q轴电流参考值；

D、将步骤C中获得的d轴电流参考值和q轴电流参考值分别与步骤B得到的d轴电流反馈值和q轴电流反馈值进行作差后，分别进行PI控制得到dq轴坐标系下的d轴电压值和q轴电压值；

E、将d轴电压值和q轴电压值进行Park逆变换和电压矢量脉宽调制后输出六路PWM波形从而驱动永磁同步电机运行。

2.根据权利要求1所述的车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，在所述步骤C中，当永磁同步电机控制器处于转矩控制模式时，转矩给定值为整车控制器发出的转矩控制指令；

当永磁同步电机控制器处于转速控制模式时，转矩给定值的获取操作为：

整车控制器发出转速控制指令，再通过转速控制指令和转速反馈值进行作差后进行PI控制得到转矩给定值。

3.根据权利要求1所述的车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，在所述步骤D中，在得到dq轴坐标系下的d轴电压值和q轴电压值后，根据d轴电压值和q轴电压值进行补偿调节获得d轴电流补偿值，并将该d轴电流补偿值加到d轴电流参考值上后与步骤A得到的d轴电流反馈值进行作差。

4.根据权利要求3所述的车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，补偿调节的操作包括：

首先根据d轴电压值和q轴电压值进行计算获得电机端电压，再将电机端电压与最大输出电压之间的差值进行PI控制得到d轴电流补偿值，并将该d轴电流补偿值加到d轴电流参考值上。

5.根据权利要求1所述的车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，在所述步骤A中，所述弱磁电流控制表的标定操作包括：

基于电机测试台架找取各电机转速下对应的定子电流和最优功角，并利用电机公式计算得出当前电机转速下的d轴电流参考值和q轴电流参考值，之后将不同转速下的d轴电流参考值和q轴电流参考值通过拟合的方式形成连续化，做成弱磁电流控制表导入到永磁同步电机控制器中。

6.根据权利要求5所述的车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，在所述步骤A中，电机公式为：

其中，I_dref为d轴电流参考值；I_s为定子电流；θ为最优功角；I_qref为q轴电流参考值。

7.根据权利要求5或6所述的车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，在所述步骤A中，基于电机测试台架找取各电机转速下对应的定子电流和最优功角的步骤包括：

A01、依次给定不同数值的电机转速；

A02、在同一电机转速下，给定以预设步长依次增加的定子电流；

A03、在电机运行状态为最大转矩电流比阶段时，在各给定的定子电流下，通过调节不同的功角，使扭矩传感器获取的电机扭矩值为最大电机扭矩值时，记录当前对应该最大电机扭矩值的功角为最优功角。

8.根据权利要求7所述的车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，在所述步骤A中，基于电机测试台架找取各电机转速下对应的定子电流和最优功角的步骤还包括：

在所述步骤A03中，在电机运行状态为最大功率阶段时，通过调节不同的功角，使输出电压利用率最大时，记录当前的功角为最优功角；在电机运行状态为恒转矩阶段时，根据电机扭矩值最大或电压利用率最大来记录最优功角。

9.根据权利要求8所述的车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，在所述步骤A01中，电压利用率通过以下公式进行计算获得：

其中，U_s为电机端电压；U_dc为直流母线电压。

10.根据权利要求8所述的车用永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，在所述步骤A01中，在依次给定不同数值的电机转速之前首先固定一个母线电压，固定的一个母线电压包括最高电压、最低电压和额定电压。

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