CN116191882A - 永磁同步电机系统中的双向dc/dc变换器的控制方法 - Google Patents

永磁同步电机系统中的双向dc/dc变换器的控制方法 Download PDF

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CN116191882A CN202310272801.2A CN202310272801A CN116191882A CN 116191882 A CN116191882 A CN 116191882A CN 202310272801 A CN202310272801 A CN 202310272801A CN 116191882 A CN116191882 A CN 116191882A
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Abstract

本申请公开了一种永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的控制方法，涉及永磁同步电机系统领域，该方法采用双环串级结合前馈负载电流并添加变比例环节，将外环电压环改进为输出电容电流给定值，继而得到双向DC/DC变换器流向逆变器的直流母线的母线电流给定值，由于母线电流给定值包含了负载电流，因此该控制方法具有对负载变化响应快的优点，基于母线电流给定值结合变比例环节得到电感电流给定值，从而控制双向DC/DC变换器使得储能电感跟随电感电流给定值，该控制方法具有快速的母线电压调整性和对双向DC/DC变换器参数变化的鲁棒性，控制性能优良。

Description

永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的控制方法
技术领域
本申请涉及永磁同步电机系统领域，尤其是一种永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的控制方法。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnetic Synchronous Machine，PMSM)因具有结构简单、效率高、功率密度高和可靠性高的优点而被广泛应用于新能源车辆。诸如新能源车辆、船舶电力、金属削切等需要电机高速作业下的行业中，传统的基于矢量控制的永磁同步电机系统无法满足行业对于电机高转速的需求，而弱磁控制不仅继承了矢量控制的闭环控制属性，还具有一定宽度的调速范围和平滑的弱磁过渡特点，可以使永磁同步电机获得更宽的转速调节范围，被广泛应用于永磁同步电机系统的控制以实现宽调速范围运行，从而满足电机的高转速要求并用于实现新能源车辆的高速行驶。
但是对于永磁同步电机系统来说，直流母线电压会随着永磁同步电机的工况以及供电电池的电量变化而变化，尤其当供电电池采用新型钠离子电池时，直流母线电压的变化范围更大，这会增大永磁同步电机的弱磁运行范围。而永磁同步电机弱磁扩速范围受电机失磁、系统效率等限制，当供电电池的电压较低时，往往使得永磁同步电机难以具有较宽速度范围，进而影响新能源车辆的高速行驶性能。
目前有一些做法会在永磁同步电机系统的逆变器前级加入双向DC/DC变换器，理论上双向DC/DC变换器可根据永磁同步电机的工况来实时调节其输出电压，以满足后级的逆变器的输入电压，将永磁同步电机的弱磁范围控制在合理范围内，有利于改善永磁同步电机系统的高速运行性能及效率。但是双向DC/DC变换器的给定电压到输出电压的传递函数的零极点分布受静态工作点影响较大，也即双向DC/DC变换器的调压性能甚至稳定性都受负载工作点影响，而新能源车辆的负载工作点变化范围相对较大，这就导致这种做法实际的控制性能和稳定性都较差，在实际应用时产生的调压效果并不理想。
发明内容
本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的控制方法，本申请的技术方案如下：
一种永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的控制方法，永磁同步电机系统包括依次相连的供电电池、双向DC/DC变换器、逆变器以及永磁同步电机，逆变器的直流母线的正极和负极之间跨接直流母线电容Cbus，该控制方法包括：
利用外环电压环根据逆变器的母线电压实际值ubus计算得到直流母线电容Cbus的电容电流给定值
Figure BDA0004135260770000021
对负载电流iload进行前馈并结合电容电流给定值
Figure BDA0004135260770000022
得到双向DC/DC变换器流向逆变器的直流母线的母线电流给定值/>
Figure BDA0004135260770000023
/>
根据母线电流给定值
Figure BDA0004135260770000024
确定双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流给定值/>
Figure BDA0004135260770000025
利用内环电流环根据双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流实际值iL及其电感电流给定值
Figure BDA0004135260770000026
产生开关调制信号；
按照开关调制信号控制双向DC/DC变换器中的开关管。
其进一步的技术方案为，根据母线电流给定值
Figure BDA0004135260770000027
确定双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流给定值/>
Figure BDA0004135260770000028
包括确定：
Figure BDA0004135260770000029
其中，ubat是供电电池的电压，
Figure BDA00041352607700000210
是一个变比例参数。
其进一步的技术方案为，在双向DC/DC变换器中，开关管S2的集电极连接逆变器的直流母线的正极，开关管S2的发射极连接开关管S1的集电极，开关管S1的发射极连接逆变器的直流母线的负极以及供电电池的负极，开关管S1的集电极通过储能电感和负载电阻连接供电电池的正极；开关管S1和开关管S2的两端分别接反接二极管；
利用内环电流环产生开关调制信号的方法包括：
将双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流给定值
Figure BDA00041352607700000211
与电感电流实际值iL的差值/>
Figure BDA00041352607700000212
作为内环电流环中的第二PI控制器的输入；
根据第二PI控制器输出的双向DC/DC变换器中的储能电感上的电压给定值
Figure BDA00041352607700000213
得到开关调制信号，开关调制信号指示双向DC/DC变换器中的开关管S1的占空比/>
Figure BDA00041352607700000214
和开关管S2的占空比/>
Figure BDA00041352607700000215
按照开关调制信号指示的占空比控制双向DC/DC变换器中的开关管S1和开关管S2的通断。
其进一步的技术方案为，确定双向DC/DC变换器中的开关管S1和开关管S2的占空比为：
Figure BDA0004135260770000031
其中，
Figure BDA0004135260770000032
是双向DC/DC变换器中的开关管S1的输出电压平均值，且有/>
Figure BDA0004135260770000033
ubat是供电电池的电压。
其进一步的技术方案为，第二PI控制器的PI参数满足
Figure BDA0004135260770000034
的关系而将内环电流环等效为一阶惯性环节，使得内环电流环的带宽为/>
Figure BDA0004135260770000035
时间常数
Figure BDA0004135260770000036
/>
其中，kp2是第二PI控制器的比例参数，ki2是第二PI控制器的积分参数，RL是负载电阻的阻值，L是储能电感的感值。
其进一步的技术方案为，该控制方法还包括：
根据
Figure BDA0004135260770000037
确定内环电流环的传递函数为：
Figure BDA0004135260770000038
根据内环电流环的传递函数确定当满足
Figure BDA0004135260770000039
的关系时，内环电流环的传递函数等效为一阶惯性环节/>
Figure BDA00041352607700000310
其中，s是s平面的参数。
其进一步的技术方案为，确定母线电流给定值
Figure BDA00041352607700000311
G(s)表示对负载电流iload进行前馈时的补偿函数，s是s平面的参数，母线电流给定值/>
Figure BDA00041352607700000312
中包含了负载电流iload。
其进一步的技术方案为，利用外环电压环确定电容电流给定值
Figure BDA00041352607700000313
的方法包括：将母线电压给定值uE与母线电压实际值ubus的差值VE-ubus作为外环电压环中的第一PI控制器的输入，得到第一PI控制器输出的电容电流给定值/>
Figure BDA00041352607700000314
本申请的有益技术效果是：
本申请公开了一种永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的控制方法，该控制方法采用双环串级结合前馈负载电流并添加变比例环节，将外环电压环改进为输出电容电流给定值，继而得到双向DC/DC变换器流向逆变器的直流母线的母线电流给定值，由于母线电流给定值包含了负载电流，因此该控制方法具有对负载变化响应快的优点，基于母线电流给定值结合变比例环节得到电感电流给定值，从而控制双向DC/DC变换器使得储能电感跟随电感电流给定值，在该控制方法下，母线电压变化对零极点分布影响极小，具有快速的母线电压调整性和对双向DC/DC变换器参数变化的鲁棒性，不管是双向DC/DC变换器的参数发生变化还是负载功率发生变化，该控制方法都有良好的控制性能。
附图说明
图1是包含双向DC/DC变换器的永磁同步电机系统的系统拓扑图。
图2是本申请一个实施例中的控制方法的控制框图。
图3是一个实施例中按照本申请的控制方法控制时的永磁同步电机系统的小信号模型。
图4是一个实例中，负载功率恒定的条件下，双向DC/DC变换器的参数不同时，双向DC/DC变换器的电压传递函数波特图。
图5是是一个实例中，负载功率恒定的条件下，双向DC/DC变换器的参数不同时，阶梯控制母线电压给定值升高时，母线电压实际值的响应曲线。
图6是一个实例中，母线电压给定值恒定的条件下，双向DC/DC变换器的参数不同时，双向DC/DC变换器的功率传递函数波特图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的控制方法，请参考图1所示的永磁同步电机系统的系统拓扑图，永磁同步电机系统包括依次相连的供电电池、双向DC/DC变换器、逆变器以及永磁同步电机，逆变器的直流母线的正极和负极之间跨接直流母线电容Cbus，供电电池两端的电压记为ubat。在双向DC/DC变换器中，开关管S2的集电极连接逆变器的直流母线的正极，开关管S2的发射极连接开关管S1的集电极，开关管S1的发射极连接逆变器的直流母线的负极以及供电电池的负极。开关管S1的集电极通过储能电感L和负载电阻RL连接供电电池的正极。开关管S1的两端连接有反接二极管D1，开关管S2的两端连接有反接二极管D2。
请结合图2所示的控制框图，本申请的双向DC/DC变换器的控制方法包括：
利用外环电压环根据逆变器的直流母线的母线电压实际值ubus计算得到直流母线电容Cbus的电容电流给定值
Figure BDA0004135260770000051
在一个实施例中，将母线电压给定值uE与母线电压实际值ubus的差值uE-ubus作为外环电压环中的第一PI控制器的输入，得到第一PI控制器输出的电容电流给定值/>
Figure BDA0004135260770000052
则有：
Figure BDA0004135260770000053
其中，kp1是第一PI控制器的比例参数，ki1是第一PI控制器的积分参数，s是s平面的参数。
对负载电流iload进行前馈，并结合电容电流给定值
Figure BDA0004135260770000054
得到双向DC/DC变换器流向逆变器的直流母线的母线电流给定值/>
Figure BDA0004135260770000055
由于负载电流iload具有不可控性，因此要控制直流母线电容的电流iC，对于双向DC/DC变换器而言，即要控制双向DC/DC变换器流向逆变器的直流母线的电流io。因此本申请在该步骤得到双向DC/DC变换器流向逆变器的直流母线的母线电流给定值/>
Figure BDA0004135260770000056
而在确定母线电流给定值
Figure BDA0004135260770000057
时，还包含了对负载电流iload进行前馈后的结果，因此母线电流给定值/>
Figure BDA0004135260770000058
中还包含了负载电流iload，从而有利于双向DC/DC变换器对负载变化时的输出电压响应速度。负载电流/>
Figure BDA0004135260770000059
pload是负载功率，可以通过pload＝udid+uqiq计算得到，ud是永磁同步电机的d轴电压，uq是永磁同步电机的q轴电压，id是永磁同步电机的d轴电流，iq是永磁同步电机的q轴电流。
在一个实施例中，利用补偿函数G(s)对负载电流iload进行前馈，则母线电流给定值
Figure BDA00041352607700000510
在一个实施例中，补偿函数G(s)为一阶惯性环节的传递函数，且
Figure BDA00041352607700000511
kB是通道的比例系数，τB是时间常数。
基于忽略双向DC/DC变换器中的储能电感L的电阻值，且将双向DC/DC变换器中的开关管视为理想器件的前提，根据输入输出功率守恒原理，可根据母线电流给定值
Figure BDA00041352607700000512
确定双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流给定值/>
Figure BDA00041352607700000513
包括确定电感电流给定值/>
Figure BDA00041352607700000514
为：
Figure BDA0004135260770000061
其中，ubat是供电电池的电压。由于供电电池的电压ubat和母线电压实际值ubus都是变化的，因此
Figure BDA0004135260770000062
是一个变比例参数。
然后内环电流环根据双向DC/DC变换器中的储能电感L的电感电流实际值iL及其电感电流给定值
Figure BDA0004135260770000063
产生开关调制信号，照开关调制信号控制双向DC/DC变换器中的开关管，以使得储能电感L的电感电流实际值iL跟随电感电流给定值/>
Figure BDA0004135260770000064
包括：
将双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流给定值
Figure BDA0004135260770000065
与电感电流实际值iL的差值/>
Figure BDA0004135260770000066
作为内环电流环中的第二PI控制器的输入。第二PI控制器输出双向DC/DC变换器中的储能电感上的电压给定值/>
Figure BDA0004135260770000067
kp2是第二PI控制器的比例参数，ki2是第二PI控制器的积分参数。
然后根据第二PI控制器输出的双向DC/DC变换器中的储能电感上的电压给定值
Figure BDA0004135260770000068
得到开关调制信号。得到的开关调制信号指示双向DC/DC变换器中的开关管S1的占空比/>
Figure BDA0004135260770000069
和开关管S2的占空比/>
Figure BDA00041352607700000610
然后即可按照开关调制信号指示的占空比控制双向DC/DC变换器中的开关管S1和开关管S2的通断。
在一个实施例中，确定得到双向DC/DC变换器中的开关管S1的占空比为
Figure BDA00041352607700000611
则与开关管S1互补的开关管S2的占空比为/>
Figure BDA00041352607700000612
其中，
Figure BDA00041352607700000613
是双向DC/DC变换器中的开关管S1的输出电压平均值，且有/>
Figure BDA00041352607700000614
ubat是供电电池的电压。
由于双向DC/DC变换器的开关频率较高，其调制过程近似理想状态，因此满足如下关系：
Figure BDA00041352607700000615
由此可得内环电流环的传递函数为：
Figure BDA00041352607700000616
根据内环电流环的传递函数确定当满足如下关系式：
Figure BDA0004135260770000071
内环电流环的传递函数等效为一阶惯性环节：
Figure BDA0004135260770000072
内环电流环的带宽为
Figure BDA0004135260770000073
时间常数/>
Figure BDA0004135260770000074
其中RL是负载电阻的阻值，L是储能电感的感值。
因此可知，当第二PI控制器满足
Figure BDA0004135260770000075
的关系时，内环电流环可等效为一阶惯性环节，当第二PI控制器的比例参数kp2和积分参数ki2足够大时，可极大地改善内环电流环的跟踪能力。
本申请的永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的控制方法主要针对车用永磁同步电机系统，由于车辆驱动复杂的特殊性，车用永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器要求其在大范围内都应具有良好的动态性能和稳定性。利用泰勒级数一阶展开式可推导出，在按照本申请的控制方法控制永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器时，永磁同步电机系统在某一运行点的小信号模型如图3所示，假设各个物理量包含该物理量在运行点的稳态值以及扰动量，图3中，Pload是负载功率在运行点的稳态值，
Figure BDA0004135260770000076
是负载功率的扰动量。VE是母线电压给定值在运行点的稳态值，/>
Figure BDA0004135260770000077
是母线电压给定值的扰动量。Vbat是供电电池的电压在运行点的稳态值，/>
Figure BDA0004135260770000078
是供电电池的电压的扰动量。Vbus是母线电压实际值在运行点的稳态值，/>
Figure BDA0004135260770000079
是母线电压实际值的扰动量。/>
Figure BDA00041352607700000710
是电容电流给定值的扰动量，/>
Figure BDA00041352607700000711
是双向DC/DC变换器流向逆变器的直流母线的母线电流给定值的扰动量，/>
Figure BDA00041352607700000712
是电感电流给定值的扰动量。/>
Figure BDA00041352607700000713
是电容电流实际值的扰动量，/>
Figure BDA00041352607700000714
是双向DC/DC变换器流向逆变器的直流母线的母线电流实际值的扰动量，/>
Figure BDA00041352607700000715
是电感电流实际值的扰动量。
在一个实例中，设定双向DC/DC变换器的参数包括：负载电阻的阻值RL＝RL0×K、储能电感的感值L＝L0×K、开关频率为10kHz，其中，RL0＝0.08Ω，L0＝0.4mH，K为参数。设定直流母线电容Cbus＝1mF。设定第二PI控制器的比例参数kp2＝2、积分参数ki2＝400，内环电流环的传递函数等效为一阶惯性环节且带宽为fc＝5000、时间常数
Figure BDA00041352607700000716
第一PI控制器的比例参数kp1＝1、积分参数ki1＝2。用于对负载电流iload进行前馈的补偿函数G(s)中的比例系数kB＝1、时间常数/>
Figure BDA0004135260770000081
在负载功率pload保持22KW的前提下，参数K分别取1、2、3。在每一个参数K的取值下，分别取母线电压的给定值为300V、350V、400V、450V、500V、550V、600V，并按照本申请的控制方法进行控制，得到的母线电压的给定值与实际值的传递函数的波特图如图4所示。
由图4可以看出，当参数K的取值不同时，双向DC/DC变换器的参数不同，波特图的曲线不同。而当参数K的取值相同，双向DC/DC变换器的参数相同时，不同的母线电压所对应的波特图在误差范围内可以认为重合，这表面在固定的双向DC/DC变换器的参数下，母线电压变化对零极点分布影响极小，本申请的控制方法具有良好的鲁棒性。
在负载功率pload保持22KW的前提下，参数K分别取1、2、3。在每一个参数K的取值下，阶梯控制母线电压的给定值从300V开始依次上升达到350V、400V、450V、500V、550V、600V，并按照本申请的控制方法进行控制，得到的母线电压的动态响应波形图如图5所示。
由图5可以看出，当参数K的取值不同时，双向DC/DC变换器的参数不同，但通过双向DC/DC变换器控制母线电压时的动态响应波形基本重合，这表明，即使永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的参数发生变化，本申请的控制方法仍然具有良好的控制性能。
在母线电压给定值保持为600V不变时，参数K分别取2、3。在每一个参数K的取值下，分别在负载功率0KW、6KW、12KW、18KW、24KW的情况下按照本申请的控制方法进行控制，得到的负载功率与到母线电压的传递函数的波特图如图6所示。
由图6可以看出，当参数K的取值不同时，双向DC/DC变换器的参数不同时，不同负载功率所对应的波特图也重合，这表示即使负载功率发生变化，本申请的控制方法仍然具有良好的控制性能。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机系统中的双向DC/DC变换器的控制方法，所述永磁同步电机系统包括依次相连的供电电池、双向DC/DC变换器、逆变器以及永磁同步电机，所述逆变器的直流母线的正极和负极之间跨接直流母线电容Cbus，其特征在于，所述控制方法包括：
利用外环电压环根据所述逆变器的母线电压实际值ubus计算得到所述直流母线电容Cbus的电容电流给定值
Figure FDA0004135260760000011
对负载电流iload进行前馈并结合所述电容电流给定值
Figure FDA0004135260760000012
得到所述双向DC/DC变换器流向所述逆变器的直流母线的母线电流给定值/>
Figure FDA0004135260760000013
根据母线电流给定值
Figure FDA0004135260760000014
确定所述双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流给定值/>
Figure FDA0004135260760000015
利用内环电流环根据所述双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流实际值iL及其电感电流给定值
Figure FDA0004135260760000016
产生开关调制信号；
按照所述开关调制信号控制所述双向DC/DC变换器中的开关管。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据母线电流给定值
Figure FDA00041352607600000113
确定所述双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流给定值/>
Figure FDA0004135260760000017
包括确定：
Figure FDA0004135260760000018
其中，ubat是所述供电电池的电压，
Figure FDA0004135260760000019
是一个变比例参数。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述双向DC/DC变换器中，开关管S2的集电极连接所述逆变器的直流母线的正极，开关管S2的发射极连接开关管S1的集电极，开关管S1的发射极连接所述逆变器的直流母线的负极以及所述供电电池的负极，开关管S1的集电极通过储能电感和负载电阻连接所述供电电池的正极；开关管S1和开关管S2的两端分别接反接二极管；
利用内环电流环产生开关调制信号的方法包括：
将所述双向DC/DC变换器中的储能电感的电感电流给定值
Figure FDA00041352607600000110
与电感电流实际值iL的差值/>
Figure FDA00041352607600000111
作为内环电流环中的第二PI控制器的输入；
根据所述第二PI控制器输出的所述双向DC/DC变换器中的储能电感上的电压给定值
Figure FDA00041352607600000112
得到所述开关调制信号，所述开关调制信号指示所述双向DC/DC变换器中的开关管S1的占空比/>
Figure FDA0004135260760000021
和开关管S2的占空比/>
Figure FDA0004135260760000022
按照所述开关调制信号指示的占空比控制所述双向DC/DC变换器中的开关管S1和开关管S2的通断。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，确定所述双向DC/DC变换器中的开关管S1和开关管S2的占空比为：
Figure FDA0004135260760000023
其中，
Figure FDA0004135260760000024
是所述双向DC/DC变换器中的开关管S1的输出电压平均值，且有/>
Figure FDA0004135260760000025
ubat是所述供电电池的电压。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第二PI控制器的PI参数满足
Figure FDA0004135260760000026
的关系而将所述内环电流环等效为一阶惯性环节，使得所述内环电流环的带宽为
Figure FDA0004135260760000027
时间常数/>
Figure FDA0004135260760000028
其中，kp2是所述第二PI控制器的比例参数，ki2是所述第二PI控制器的积分参数，RL是所述负载电阻的阻值，L是所述储能电感的感值。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
根据
Figure FDA0004135260760000029
确定所述内环电流环的传递函数为：
Figure FDA00041352607600000210
根据所述内环电流环的传递函数确定当满足
Figure FDA00041352607600000211
的关系时，所述内环电流环的传递函数等效为一阶惯性环节/>
Figure FDA00041352607600000212
其中，s是s平面的参数。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，确定所述母线电流给定值
Figure FDA00041352607600000213
G(s)表示对负载电流iload进行前馈时的补偿函数，s是s平面的参数，所述母线电流给定值/>
Figure FDA00041352607600000214
中包含了负载电流iload。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，利用外环电压环确定电容电流给定值
Figure FDA00041352607600000215
的方法包括：将母线电压给定值uE与母线电压实际值ubus的差值VE-ubus作为外环电压环中的第一PI控制器的输入，得到所述第一PI控制器输出的所述电容电流给定值/>
Figure FDA0004135260760000031
/>
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