一種凸極式永磁同步電機(jī)弱磁區(qū)域的轉(zhuǎn)矩控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種凸極式永磁同步電機(jī)弱磁區(qū)域的轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征是：基于凸極式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩估計(jì)，將指令轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩估計(jì)進(jìn)行比較，通過單轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器生成逆變器參考電壓矢量的弱磁區(qū)相位角，鑒于逆變器參考電壓矢量的弱磁區(qū)相位角和電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩之間存在單調(diào)關(guān)系，單獨(dú)控制逆變器參考電壓矢量的弱磁區(qū)相位角實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)在弱磁區(qū)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制。本發(fā)明有效克服了傳統(tǒng)的基于雙電流PI調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制的凸極式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行于弱磁區(qū)時(shí)出現(xiàn)的調(diào)節(jié)器飽和故障且兼具魯棒性強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全可靠地持續(xù)運(yùn)行。
【專利說明】一種凸極式永磁同步電機(jī)弱磁區(qū)域的轉(zhuǎn)矩控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車用凸極式永磁同步電機(jī)弱磁區(qū)域的轉(zhuǎn)矩控制方法，實(shí)現(xiàn)凸極 式永磁同步電機(jī)在弱磁區(qū)域的轉(zhuǎn)矩控制。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源危機(jī)的加深，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，國家十二五中長期規(guī)劃明確指出新能 源電動(dòng)汽車將是重點(diǎn)發(fā)展方向，隨著政策措施的落實(shí)，市場(chǎng)配套條件的完善，新能源電動(dòng)汽 車將是公民綠色出行首選方式之一。
[0003] 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力輸出，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)多米用永磁同步電機(jī)，相 對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)，凸極式永磁同步電機(jī)的永磁體嵌入轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)部，機(jī)械強(qiáng)度大 大增強(qiáng)，滿足車用電機(jī)高速運(yùn)行工況；此外，因其電機(jī)生成的電磁轉(zhuǎn)矩中含有磁阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn) 矩輸出性能得以提升，增強(qiáng)了整車動(dòng)力性。但是，凸極式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在弱磁區(qū)域 運(yùn)行時(shí)，受永磁體材料的非線性B-H曲線特性、電機(jī)凸極式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及汽車實(shí)際運(yùn)行時(shí) 復(fù)雜工況影響，其直軸磁路和交軸磁路易出現(xiàn)磁路飽和及交叉耦合，使基于雙電流閉環(huán)控 制的PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)飽和失調(diào)的故障，導(dǎo)致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制精度下降，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致系統(tǒng) 失穩(wěn)。
[0004] 為了抑制電流PI調(diào)節(jié)器飽和失調(diào)故障，最初采用前饋解耦控制方案，但前饋解耦 控制方案對(duì)電機(jī)參數(shù)的依耐性強(qiáng)，實(shí)際控制效果不佳。為此，后續(xù)提出了單電流調(diào)節(jié)器控制 方案，定子直軸電流閉環(huán)控制的PI調(diào)節(jié)器生成定子直軸電壓指令，而定子交軸電壓指令則 采用查表法直接獲取，該方案雖能有效避免電流PI調(diào)節(jié)器飽和，但其定子交軸電壓指令是 離線獲取，而滿足電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況的定子交軸電壓指令是難以離線準(zhǔn)確計(jì)算獲取的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提出一種車用凸極式永磁同步電 機(jī)在弱磁區(qū)區(qū)域的轉(zhuǎn)矩控制方法，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定及持續(xù)運(yùn)行。
[0006] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明凸極式永磁同步電機(jī)弱磁區(qū)域的轉(zhuǎn)矩控制方法，設(shè)置凸極式永磁同步電機(jī) 的控制系統(tǒng)包括：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電壓指令發(fā)生器、弱磁區(qū)電壓指令發(fā)生器、SVPWM調(diào)制模塊、逆 變器、電流傳感器、位置傳感器和電壓傳感器；所述恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電壓指令發(fā)生器包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 定子電流指令表、恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子直軸電流PI調(diào)節(jié)器和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子交軸電流PI調(diào)節(jié)器；所 述弱磁區(qū)電壓指令發(fā)生器包括轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器；其特征是所述轉(zhuǎn)矩控 制方法按如下步驟進(jìn)行：
[0008] 步驟一、設(shè)定控制系統(tǒng)運(yùn)行的采樣周期為Ts。
[0009] 步驟二、按如下方式獲得第k個(gè)采樣周期實(shí)際定子直軸電流id(k)，第k個(gè)采樣周 期實(shí)際定子交軸電流i q(k)，第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際位置角a (k)和第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子 實(shí)際轉(zhuǎn)速《^(k)。
[0010] 利用電流傳感器檢測(cè)獲得第k個(gè)采樣周期定子a相電流ia(k)和第k個(gè)采樣周期 定子b相電流i b(k)，利用位置傳感器檢測(cè)獲得第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際位置角a (k)，通 過式（1)進(jìn)行坐標(biāo)變換，獲得基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下凸極式永磁同步電機(jī) 第k個(gè)采樣周期實(shí)際定子直軸電流、〇〇和第k個(gè)采樣周期實(shí)際定子交軸電流i q(k):
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種凸極式永磁同步電機(jī)弱磁區(qū)域的轉(zhuǎn)矩控制方法，設(shè)置凸極式永磁同步電機(jī)的控 制系統(tǒng)包括：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電壓指令發(fā)生器、弱磁區(qū)電壓指令發(fā)生器、SVPWM調(diào)制模塊、逆變器、 電流傳感器、位置傳感器和電壓傳感器；所述恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電壓指令發(fā)生器包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子 電流指令表、恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子直軸電流PI調(diào)節(jié)器和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子交軸電流PI調(diào)節(jié)器；所述弱 磁區(qū)電壓指令發(fā)生器包括轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器；其特征是：所述轉(zhuǎn)矩控制方 法按如下步驟進(jìn)行： 步驟一、設(shè)定控制系統(tǒng)運(yùn)行的采樣周期為Ts ; 步驟二、按如下方式獲得第k個(gè)采樣周期實(shí)際定子直軸電流id(k)，第k個(gè)采樣周期實(shí) 際定子交軸電流iq(k)，第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際位置角a(k)和第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際 轉(zhuǎn)速《m(k): 利用電流傳感器檢測(cè)獲得第k個(gè)采樣周期定子a相電流ia (k)和第k個(gè)采樣周期定子b相電流ib(k)，利用位置傳感器檢測(cè)獲得第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際位置角a(k)，通過式（1) 進(jìn)行坐標(biāo)變換，獲得基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下凸極式永磁同步電機(jī)第k個(gè)采 樣周期實(shí)際定子直軸電流id(k)和第k個(gè)采樣周期實(shí)際定子交軸電流iq(k):
式（1)中，k彡1且k取為正整數(shù)，k= 1，2, 3,…； 利用第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際位置角a(k)計(jì)算獲得第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速 Wm(k); 步驟三、控制系統(tǒng)運(yùn)行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時(shí)，利用恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電壓指令發(fā)生器獲得第k個(gè)采樣 周期逆變器參考電壓矢量的直軸指令和第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的交軸 指令< (M，并按如下步驟判斷控制系統(tǒng)是否需要從恒轉(zhuǎn)矩區(qū)進(jìn)入弱磁區(qū)運(yùn)行： a、控制系統(tǒng)運(yùn)行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時(shí)，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略按如下方式實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn) 矩的動(dòng)態(tài)控制：根據(jù)第k個(gè)采樣周期指令轉(zhuǎn)矩r(A)查找恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子電流指令表獲得第 k個(gè)采樣周期定子直軸電流指令(UO和第k個(gè)采樣周期定子交軸電流指令，由式（2) 獲得第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)直軸指令*4 (〇和第k個(gè)采樣周期逆 變器參考電壓矢量的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)交軸指令（（夂）：
式（2)中，kpd為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子直軸電流PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，kid為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子直軸 電流PI調(diào)節(jié)器積分系數(shù)；kM為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子交軸電流PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，kiq為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 定子交軸電流PI調(diào)節(jié)器積分系數(shù)； b、 按式（3)計(jì)算獲得第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的直軸指令和第k個(gè) 采樣周期逆變器參考電壓矢量的交軸指令 < 斤）：
c、 根據(jù)第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的直軸指令和第k個(gè)采樣周期逆變 器參考電壓矢量的交軸指令以及第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際位置角a(k)，經(jīng)過SVPWM 調(diào)制模塊生成第k個(gè)采樣周期逆變器控制信號(hào)Sa(k)、Sb (k)、S。(k)，控制永磁同步電機(jī)定子 三相電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)凸極式永磁同步電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制； d、 按式（4)計(jì)算獲得第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)幅值Uml(k):
e、 逆變器采用SVPWM線性調(diào)制策略，并忽略逆變器的非線性，根據(jù)式（5)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng) 從恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到弱磁區(qū)的切換；
其中UtkGO是通過電壓傳感器檢測(cè)到的第k個(gè)采樣周期逆變器直流側(cè)電壓； 當(dāng)式（5)中△ (k)大于等于零，控制系統(tǒng)保持在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行，并在步驟二至步驟三 中按采樣周期Ts循環(huán)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的轉(zhuǎn)矩控制以及從恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到弱磁區(qū)的切 換，當(dāng)式（5)中A(k)小于零，表示逆變器達(dá)到其輸出能力的極限，在下一采樣周期到來時(shí)， 控制系統(tǒng)切換到弱磁區(qū)運(yùn)行； 步驟四、控制系統(tǒng)運(yùn)行于弱磁區(qū)時(shí)，利用弱磁區(qū)電壓指令發(fā)生器按如下方式獲得第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的直軸指令〃；；（〇和第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量 的交軸指令<(夂）； a、 假定在執(zhí)行步驟三時(shí)，在k=m-l，即第m-1個(gè)采樣周期時(shí)，式（5)中的A(m-l)小于 零，則控制系統(tǒng)在第m個(gè)采樣周期到來時(shí)運(yùn)行于弱磁區(qū)，此時(shí)k=m，m為正整數(shù)； b、 為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)從恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到弱磁區(qū)的平滑切換，將控制系統(tǒng)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行時(shí) 第m-l個(gè)采樣周期的逆變器參考電壓矢量的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)相位角終值作為控制系統(tǒng)在弱磁區(qū) 運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器中積分器的初值3 〇，所述轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器中積分器的初值 3。由式（6)給出：
式（6)中，
為k=m-l，即第m-l個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的交軸指令
即第m-l個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的直軸軸指令
C、所述控制方法是基于數(shù)字微處理器實(shí)現(xiàn)，所述數(shù)字微處理器是實(shí)施離散控制，因此， 計(jì)算獲得的第k-2個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的直軸指令
i和第k-2個(gè)采樣周 期逆變器參考電壓矢量的交軸指令
，在第k-1個(gè)采樣周期才會(huì)作用于實(shí)際電機(jī)， 生成第k個(gè)采樣周期實(shí)際定子直軸電流id(k)和第k個(gè)采樣周期實(shí)際定子交軸電流iq(k); 因此，控制系統(tǒng)在第m個(gè)采樣周期切換至弱磁區(qū)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)k=m，根據(jù)第k-2個(gè)采樣周 期逆變器參考電壓矢量直軸指令
、第k-2個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量交軸指 令
、第k個(gè)采樣周期實(shí)際定子直軸電流id(k)，第k個(gè)采樣周期實(shí)際定子交軸電流 iq(k)和第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速COnl (k)，利用轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊獲得第k個(gè)采樣周期估計(jì) 轉(zhuǎn)矩廠,(/:)如式（7):
式（7)中，Rs為定子繞組相電阻； d、 按式（8)生成第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的弱磁區(qū)相位角P(k):
式（8)中，kpt為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；kit為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)； e、 對(duì)于逆變器采用SVPWM線性調(diào)制策略，并忽略逆變器的非線性，考慮到逆變器已達(dá) 到其輸出能力的極限，則第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的弱磁區(qū)幅值Um2(k)計(jì)算依 據(jù)如式（9)所示：
f、 將第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的弱磁區(qū)幅值U1112 (k)與第k個(gè)采樣周期逆變 器參考電壓矢量的弱磁區(qū)相位角P(k)輸入至弱磁區(qū)電壓指令發(fā)生器，按式（10)生成第k 個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的弱磁區(qū)直軸指令〃!2("和第k個(gè)采樣周期逆變器參考電 壓矢量的弱磁區(qū)交軸指令(幻：
g、控制系統(tǒng)在弱磁區(qū)運(yùn)行時(shí)，生成第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的直軸指令 岣和第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的交軸指令<#)，如式（11)所示；
h、 根據(jù)第k個(gè)采樣周期逆變器參考電壓矢量的直軸指令和第k個(gè)采樣周期逆變 器參考電壓矢量的交軸指令 <(幻以及第k個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)子實(shí)際位置角a(k)，經(jīng)過SVPWM 調(diào)制模塊生成第k個(gè)采樣周期逆變器控制信號(hào)Sa(k)、Sb (k)、S。(k)，控制永磁同步電機(jī)定子 三相電壓； i、 按采樣周期Ts循環(huán)實(shí)施步驟二和步驟四，實(shí)現(xiàn)對(duì)凸極式永磁同步電機(jī)在弱磁區(qū)的動(dòng) 態(tài)轉(zhuǎn)矩控制。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK104242766SQ201410446706
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】李紅梅, 周亞男, 劉子豪 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)