CN113179061A - 一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，该方法应用于弱磁控制电机调速系统，所述弱磁控制电机调速系统包括转速给定模块、电流检测模块、转子角度和转速检测模块、速度控制器、弱磁控制模块、深度弱磁控制模块、电流控制器、Park变换模块、Clark变换模块、逆Park变换模块、空间脉冲调制模块和逆变电路；采用基于超前角弱磁控制策略和基于最大转矩电压比的深度弱磁控制策略实时修正电流控制器的输入信号，使电机运行于额定转速之上，满足电动汽车在不同工况下对电机速度的需求。本发明可以实现电机扩速以及不同转速区域的稳定过渡，抑制深度弱磁区域产生的振荡，提高系统在深度弱磁区域的运行稳定性。

Description

一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法
技术领域
本发明涉及电动汽车调速技术领域，尤其涉及一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法。
背景技术
永磁同步电机控制系统是电动汽车重要的组成部分，是电动汽车实现高速、稳定运行的基础，应具有对电机转速快速稳定调节的功能，也要满足电动汽车在不同工况下的性能要求。为此，对电动汽车用永磁同步电机进行弱磁控制，实现电动汽车高效行驶。
中国专利文献“201510516992.8”提出了一种电动汽车用内置式永磁同步电机弱磁控制方法，解决了传统控制方法依赖电机参数、转速和转矩的控制精度差以及系统的稳定性差等问题；中国专利文献“201610954121.9”提出了一种永磁同步电机深度弱磁控制方法及控制装置，可以有效削弱永磁同步电机深度弱磁控制中的电流震荡。但是以上专利不能同时实现弱磁控制和深度弱磁控制，也不能实现永磁同步电机在不同转速范围内的平滑过渡，满足不了电动汽车在不同工况下运行的需求。
考虑到以上问题，提出一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的技术问题，发明一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，应用于弱磁控制电机调速系统，实现永磁同步电机的速度调节，使电机能运行于额定转速上下，并能在不同转速之间进行平滑调节，满足电动汽车在不同工况下对电机速度的要求以及高效运行。
本发明提供一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，该方法应用于弱磁控制电机调速系统，所述弱磁控制电机调速系统包括转速给定模块、电流检测模块、转子角度和转速检测模块、速度控制器、弱磁控制模块、深度弱磁控制模块、电流控制器、Park变换模块、Clark变换模块、逆Park变换模块、空间脉冲调制模块(SVPWM)和逆变电路；电流控制器包括d轴电流控制模块和q轴电流控制模块，采用基于超前角弱磁控制策略和基于最大转矩电压比MTPV的深度弱磁控制策略实时修正电流控制器的输入信号，使电机运行于额定转速之上，满足电动汽车在不同工况下对电机速度的要求；
该调速方法的步骤如下：
步骤一：电流检测模块实时获取永磁同步电机的定子三相电流ia、ib、ic，转速检测模块实时获取永磁同步电机的转子角度θ和永磁同步电机实时转速ωx，转速给定模块从整车控制器获取需求转速ωref；
步骤二：三相电流ia、ib、ic经过Clark变换模块得到iα和iβ；Park变换模块根据iα、iβ和θ，输出d轴反馈电流idback和q轴反馈电流iqback；
同时，比较器计算出永磁同步电机需求转速ωref与永磁同步电机实时转速ωx的差值，即Δω1＝ωref-ωx，速度控制器根据Δω1得到d轴电流控制模块的给定信号idref1和q轴电流控制模块的给定信号iqref1；
步骤三：速度控制器根据需求转速ωref，由以下任一种情况确定d轴电流控制模块的电流给定信号idref3和q轴电流控制模块的电流给定信号iqref3：
S01：当ωref大于0并且小于等于第一速度阈值时，d轴电流给定信号为idref3＝idref1,q轴电流给定信号为iqref3＝iqref1；
S02：当ωref大于第一速度阈值并且小于等于第二速度阈值时，从弱磁控制模块得到d轴第一电流补偿值Δid1和q轴第一电流补偿值Δiq1，此时d轴电流给定信号idref3＝idref1+Δid1，q轴电流给定信号iqref3＝iqref1+Δiq1，其中Δid1和Δiq1由弱磁控制模块采用超前角弱磁控制策略得到；
S03：当ωref大于第二速度阈值时，从弱磁控制模块得到d轴第一电流补偿值Δid1和q轴第一电流补偿值Δiq1，从深度弱磁控制模块得到q轴第二电流补偿值Δiq2，此时d轴电流控制模块的电流给定信号为下限值，q轴电流控制模块的电流给定信号为iqref3＝iqref1+Δiq1+Δiq2，其中Δiq2由深度弱磁控制模块采用基于最大转矩电压比MTPV的深度弱磁控制策略得到；
其中，所述的第一速度阈值小于所述的第二速度阈值，所述的第一速度阈值取值为永磁同步电机的额定转速，所述的第二速度阈值小于永磁同步电机的最高转速；
步骤四：d轴电流控制模块根据idref3与idback偏差，即Δid3＝idref3-idback，经过PI控制输出信号udref，q轴电流控制模块根据iqref3与iqback偏差，即Δiq3＝iqref3-iqback，经过PI控制输出信号uqref；udref和uqref经过逆Park变换模块后输出信号uαref和uβref，再经过空间脉冲调制模块形成PWM波信号，驱动逆变电路，以控制永磁同步电机的转速；
重复步骤一至步骤四，实现电动汽车永磁同步电机的调速。
进一步，所述的速度控制器包括PI控制模块和MTPA控制模块，首先PI控制模块根据Δω1，通过PI控制输出转矩信号Te；MTPA控制模块根据Te，采用最大转矩电流比控制，用最小的电流获得最大转矩时电流控制器的给定信号idref1和iqref1，其值由以下方程确定：
Figure BDA0003049899770000031
其中，Ld和Lq分别为电机d轴电感和q轴电感；ψf为永磁体磁链；Pn为电机极对数。
进一步，所述Δid1和Δiq1由弱磁控制模块采用超前角弱磁控制策略得到为：
S0201：计算逆变电路的最大电压Umax与电流控制器输出信号udref和uqref的平方和的差值，即
Figure BDA0003049899770000032
S0202：当ΔU<0时，采用PI算法实时计算超前角β，其值为负值，此时永磁同步电机进入弱磁区；
S0203：计算永磁同步电机的定子电流
Figure BDA0003049899770000033
S0204：依据定子电流is和超前角β，计算d第一电流补偿值和q轴第一电流补偿值为：
Figure BDA0003049899770000034
进一步，所述Δiq2由深度弱磁控制模块采用基于最大转矩电压比MTPV的深度弱磁控制策略得到，具体为：
S0301：对永磁同步电机d轴电流进行限幅，选取电压极限椭圆的中心点作为永磁同步电机d轴电流的下限值，即下限值为idmin＝-ψf/Ld；
S0302：idref1经过弱磁控制模块补偿后，当idref1+Δid1等于idmin时，此时永磁同步电机进入深度弱磁区，当永磁同步电机进入深度弱磁区，idref1+Δid1不等于idmin，d轴电流控制模块的电流给定信号为下限值，即：idref3＝idmin，iqref3＝iqref1+Δiq1+Δiq2，采用最大转矩电压比MTPV得到q轴第二电流补偿值为：
Figure BDA0003049899770000035
本发明针对现有技术存在的技术问题，发明一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，应用于弱磁控制电机调速系统，实现永磁同步电机的速度调节，使电机运行于额定转速上下，并能在不同转速之间进行平滑调节，满足电动汽车在不同工况下对电机速度的要求以及高效运行。主要有以下的优点：
(1)本发明采用速度PI和电流PI双闭环矢量调速系统结构，在速度控制器和电流控制器进行创新，在速度控制器中增加MTPA控制，电流控制器由d轴电流控制器和q轴电流控制器组成。
(2)速度控制器中的MTPA控制与PI控制结合，得出用最小的电流获得最大的转矩时的电流控制器给定信号，使永磁同步电机在额定转速内稳定高效运行；采用基于超前角弱磁控制策略和基于最大转矩电压(MTPV)的深度弱磁控制策略，修正q轴电流控制器的给定信号，使永磁同步电机在额定转速以上稳定高效运行，也可以实现在不同转速范围的平滑过渡。
(3)本发明可应用于电动汽车用永磁同步电机的弱磁控制电机调速系统，满足电动汽车在不同工况下对电机速度的要求。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法对应的结构原理图。
图2为本发明实施例提供的一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法的流程图。
附图标记说明：1.转速给定模块；2.速度控制器；3.电流控制器；4.弱磁控制模块；5.深度弱磁控制模块；6.逆Park变换模块；7.SVPWM模块；8.逆变电路；9.电流检测模块；10.Clark变换模块；11.Park变换模块；12.PMSM；13转子角度和转速检测模块；3-1.d轴电流控制模块；3-2.q轴电流控制模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明采用速度PI和电流PI双闭环矢量调速系统结构，在速度控制器和电流控制器进行创新，在速度控制器中增加MTPA(最大转矩电流比)控制，电流控制器由d轴电流控制模块和q轴电流控制模块组成；速度控制器中的MTPA控制与PI控制结合，得出用最小的电流获得最大的转矩时的电流控制器的给定信号，采用基于超前角弱磁控制策略和基于最大转矩电压(MTPV)的深度弱磁控制策略，修正d轴电流控制模块和q轴电流控制模块的给定信号。本发明可应用于电动汽车用永磁同步电机的弱磁控制电机调速系统，满足电动汽车在不同工况下对电机速度的要求。
本发明实施提供了一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，该方法应用于弱磁控制电机调速系统，所述弱磁控制电机调速系统包括转速给定模块、电流检测模块、转子角度和转速检测模块、速度控制器、弱磁控制模块、深度弱磁控制模块、电流控制器、Park变换模块、Clark变换模块、逆Park变换模块、空间脉冲调制模块和逆变电路；电流控制器包括d轴电流控制模块和q轴电流控制模块，采用基于超前角弱磁控制策略和基于最大转矩电压比MTPV的深度弱磁控制策略实时修正电流控制器的输入信号，使电机运行于额定转速之上，满足电动汽车在不同工况下对电机速度的要求。
本发明提供的一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，该调速方法对应的结构原理图如图1所示。所述弱磁控制电机调速系统包括电流检测模块9、转子角度和转速检测模块13、速度控制器2、弱磁控制模块4、深度弱磁控制模块5、电流控制器3、Park变换模块11、Clark变换模块10、逆Park变换模块6、SVPWM模块7和逆变电路模块8；电流控制器3包括d轴电流控制模块3-1和q轴电流控制模块3-2。
一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法流程如图2所示，包括步骤如下：
步骤一：电流检测模块9实时获取永磁同步电机12的定子三相电流ia、ib、ic，转子角度和转速检测模块13实时获取永磁同步电机12的转子角度θ和永磁同步电机12实时转速ωx，转速给定模块1从整车控制器获取需求转速ωref；
步骤二：三相电流ia、ib、ic经过Clark模块变换10得到iα和iβ；Park变换模块11根据iα、iβ和θ，输出d轴反馈电流idback和q轴反馈电流iqback；
同时，比较器计算出永磁同步电机12需求转速ωref与永磁同步电机12实时转速ωx的差值Δω1，即Δω1＝ωref-ωx，速度控制器2根据Δω1得到d轴电流控制模块3-1的给定信号idref1和q轴电流控制模块3-2的给定信号iqref1；
所述的速度控制器2包括PI控制模块和MTPA控制模块，首先PI控制模块根据Δω1，通过PI控制输出转矩信号Te；MTPA控制模块根据Te，采用最大转矩电流比控制，用最小的电流获得最大转矩时电流控制器的给定信号idref1和iqref1，其值由以下方程确定：
Figure BDA0003049899770000061
其中，Ld和Lq分别为电机d轴电感和q轴电感；ψf为永磁体磁链；Pn为电机极对数。
步骤三：速度控制器2根据需求转速ωref，由以下任一种情况确定d轴电流控制模块3-1的电流给定信号idref3和q轴电流控制模块3-2的电流给定信号iqref3：
S01：设第一速度阈值为ω1max，一般取值为永磁同步电机的额定转速。当0<ωref≤ω1max时，d轴电流给定信号为idref3＝idref1，q轴电流给定信号为iqref3＝iqref1；
S02：设第二速度阈值为ω2max，一般小于最高转速。当ω1max<ωref≤ω2max时，根据弱磁控制模块4得到d轴第一电流补偿值Δid1和q轴第一电流补偿值Δiq1，此时d轴电流给定信号idref3＝idref1+Δid1,q轴电流给定信号iqref3＝iqref1+Δiq1，其中Δid1和Δiq1由弱磁控制模块采用超前角弱磁控制策略得到，具体如下：
S0201：计算逆变电路8的最大电压Umax与d轴电流控制器3输出信号udref和uqref的平方和的差值ΔU，即
Figure BDA0003049899770000062
S0202：当ΔU<0时，采用PI算法实时计算超前角β，其值为负值，此时永磁同步电机12进入弱磁区；
S0203：计算永磁同步电机12的定子电流
Figure BDA0003049899770000063
S0204：依据定子电流is和超前角β，计算d轴第一电流补偿值和q轴第一电流补偿值：
Figure BDA0003049899770000064
S03：当ωref大于第二速度阈值时，即ωref>ω2max时，从弱磁控制模块4得到d轴第一电流补偿值Δid1和q轴第一电流补偿值Δiq1，从深度弱磁控制模块5得到q轴第二电流补偿值Δiq2，此时d轴电流控制模块3-1的电流给定信号为下限值，q轴电流控制模块3-2的电流给定信号为iqref3＝iqref1+Δiq1+Δiq2，其中Δiq2由深度弱磁控制模块5采用基于最大转矩电压比MTPV的深度弱磁控制策略得到，具体如下：
S0301：对d轴电流进行限幅，选取电压极限椭圆的中心点作为永磁同步电机d轴电流的下限，即下限值为idmin＝-ψf/Ld；
S0302：idref1经过弱磁控制模块补偿后，当idref1+Δid1等于idmin时，此时永磁同步电机进入深度弱磁区。当永磁同步电机进入深度弱磁区，idref1+Δid1不等于idmin，d轴电流控制模块的电流给定信号为下限值，即：idref3＝idmin，iqref3＝iqref1+Δiq1+Δiq2，采用最大转矩电压比MTPV得到q轴第二电流补偿值为：
Figure BDA0003049899770000071
步骤四：d轴电流控制模块3-1根据idref3与idback偏差，即Δid3＝idref3-idback，经过PI控制输出信号udref，q轴电流控制模块3-1根据iqref3与iqback偏差，即Δiq3＝iqref3-iqback，经过PI控制输出信号uqref；udref和uqref经过逆Park变换模块6后输出信号uαref和uβref，再经过SVPWM模块7形成PWM波信号，驱动逆变电路8，以控制永磁同步电机12的转速；其中由比较器计算Δid3和Δiq3。
重复步骤一至步骤四，实现电动汽车用永磁同步电机12的调速。
以上对本发明所提供的一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法进行了详细介绍，以上实施说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，其特征在于，该方法应用于弱磁控制电机调速系统，所述弱磁控制电机调速系统包括转速给定模块、电流检测模块、转子角度和转速检测模块、速度控制器、弱磁控制模块、深度弱磁控制模块、电流控制器、Park变换模块、Clark变换模块、逆Park变换模块、空间脉冲调制模块和逆变电路；电流控制器包括d轴电流控制模块和q轴电流控制模块，采用基于超前角弱磁控制策略和基于最大转矩电压比MTPV的深度弱磁控制策略实时修正电流控制器的输入信号，使电机运行于额定转速之上，满足电动汽车在不同工况下对电机速度的要求；
该调速方法的步骤如下：
步骤一：电流检测模块实时获取永磁同步电机的定子三相电流ia、ib、ic，转速检测模块实时获取永磁同步电机的转子角度θ和永磁同步电机实时转速ωx，转速给定模块从整车控制器获取需求转速ωref；
步骤二：三相电流ia、ib、ic经过Clark变换模块得到iα和iβ；Park变换模块根据iα、iβ和θ，输出d轴反馈电流idback和q轴反馈电流iqback；
同时，比较器计算出永磁同步电机需求转速ωref与永磁同步电机实时转速ωx的差值，即Δω1＝ωref-ωx，速度控制器根据Δω1得到d轴电流控制模块的给定信号idref1和q轴电流控制模块的给定信号iqref1；
步骤三：速度控制器根据需求转速ωref，由以下任一种情况确定d轴电流控制模块的电流给定信号idref3和q轴电流控制模块的电流给定信号iqref3：
S01：当ωref大于0并且小于等于第一速度阈值时，d轴电流给定信号为idref3＝idref1，q轴电流给定信号为iqref3＝iqref1；
S02：当ωref大于第一速度阈值并且小于等于第二速度阈值时，从弱磁控制模块得到d轴第一电流补偿值Δid1和q轴第一电流补偿值Δiq1，此时d轴电流给定信号idref3＝idref1+Δid1，q轴电流给定信号iqref3＝iqref1+Δiq1，其中Δid1和Δiq1由弱磁控制模块采用超前角弱磁控制策略得到；
S03：当ωref大于第二速度阈值时，从弱磁控制模块得到d轴第一电流补偿值Δid1和q轴第一电流补偿值Δiq1，从深度弱磁控制模块得到q轴第二电流补偿值Δiq2，此时d轴电流控制模块的电流给定信号为下限值，q轴电流控制模块的电流给定信号为iqref3＝iqref1+Δiq1+Δiq2，其中Δiq2由深度弱磁控制模块采用基于最大转矩电压比MTPV的深度弱磁控制策略得到；
其中，所述的第一速度阈值小于所述的第二速度阈值，所述的第一速度阈值取值为永磁同步电机的额定转速，所述的第二速度阈值小于永磁同步电机的最高转速；
步骤四：d轴电流控制模块根据idref3与idback偏差，即Δid3＝idref3-idback，经过PI控制输出信号udref，q轴电流控制模块根据iqref3与iqback偏差，即Δiq3＝iqref3-iqback，经过PI控制输出信号uqref；udref和uqref经过逆Park变换模块后输出信号uαref和uβref，再经过空间脉冲调制模块形成PWM波信号，驱动逆变电路，以控制永磁同步电机的转速；
重复步骤一至步骤四，实现电动汽车永磁同步电机的调速。
2.根据权利要求1所述的基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，其特征在于，速度控制器包括PI控制模块和最大转矩电流比MTPA控制模块，首先PI控制模块根据Δω1，通过PI控制输出转矩信号Te；MTPA控制模块根据Te，采用最大转矩电流比控制，用最小的电流获得最大转矩时电流控制器的给定信号idref1和iqref1，其值由以下方程确定：
Figure FDA0003049899760000021
其中，Ld和Lq分别为电机d轴电感和q轴电感；ψf为永磁体磁链；Pn为电机极对数。
3.根据权利要求1所述的基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，其特征在于，所述Δid1和Δiq1由弱磁控制模块采用超前角弱磁控制策略得到为：
S0201：计算逆变电路的最大电压Umax与电流控制器输出信号udref和uqref的平方和的差值ΔU，即
Figure FDA0003049899760000022
S0202：当ΔU<0时，采用PI算法实时计算超前角β，其值为负值，此时永磁同步电机进入弱磁区；
S0203：计算永磁同步电机的定子电流
Figure FDA0003049899760000023
S0204：依据定子电流is和超前角β，计算d轴第一电流补偿值和q轴第一电流补偿值：
Figure FDA0003049899760000024
4.根据权利要求1所述的基于弱磁控制的电动汽车永磁同步电机的调速方法，其特征在于，所述Δiq2由深度弱磁控制模块采用基于最大转矩电压比MTPV的深度弱磁控制策略得到具体为：
S0301：对永磁同步电机d轴电流进行限幅，选取电压极限椭圆的中心点作为永磁同步电机d轴电流的下限值，即下限值为idmin＝-ψf/Ld；
S0302：idref1经过弱磁控制模块补偿后，当idref1+Δid1等于idmin时，此时永磁同步电机进入深度弱磁区，当永磁同步电机进入深度弱磁区，idref1+Δid1不等于idmin，此时d轴电流控制模块的电流给定信号为下限值，即idref3＝idmin，iqref3＝iqref1+Δiq1+Δiq2，采用最大转矩电压比MTPV得到q轴第二电流补偿值为：
Figure FDA0003049899760000031
其中，Ld和Lq分别为电机d轴电感和q轴电感；ψf为永磁体磁链。
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