一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，应用于电池、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统，所述变频器的控制方法包括以下步骤：（1）、在永磁同步电机刹车期间，在满足刹车速度曲线要求以及确保电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值的条件下，确定电压幅值和电压角度；（2）、基于确定的电压幅值和电压角度计算向永磁同步电机的输出电压，并向永磁同步电机输出，实现永磁同步电机的刹车性能，本发明既实现了刹车速度曲线要求，满足刹车性能，同时还有效保证了在永磁同步电机刹车时，电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值，保证电池的使用寿命。
【专利说明】—种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种永磁同步电机刹车控制方法，特别是一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，应用于电池、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统。
【背景技术】
[0002]所谓的电池供电的永磁同步电机刹车控制方法一般应用在电动车领域中。常规的电动车永磁同步电机的刹车方法一般采用机械刹车，即附加机械装置抱死永磁同步电机转子转轴或其从动部件实现刹车，结构复杂、成本高，且由于磨损打滑、损坏等原因容易导致刹车失效，无法保证永磁同步电机的刹车性能，存在较大的安全隐患。考虑到以上所述机械刹车的缺点，已有直接采用由变频器控制的电子刹车方法实现电动车的永磁同步电机刹车，即将永磁同步电机机械能先转化为电能再转化为热能。但现有的电子刹车方法虽然实现了刹车速度曲线要求，但无法保证在永磁同步电机刹车时，电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值，电池很可能因此受到损坏，导致其使用寿命无法得到确保。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，既实现刹车速度曲线要求，满足刹车性能，同时还有效保证在永磁同步电机刹车时，电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值，保证电池的使用寿命。
[0004]本发明的技术方案为:
[0005]一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法,应用于电池、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统，其中:所述变频器的控制方法包括以下步骤:
[0006](I)、在永磁同步电机刹车期间，在满足刹车速度曲线要求以及确保电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值的条件下，确定电压幅值和电压角度；
[0007]( 2 )、基于确定的电压幅值和电压角度计算向永磁同步电机的输出电压，并向永磁同步电机输出，实现永磁同步电机的刹车性能。
[0008]优选地，所述的确定电压幅值的步骤采用速度闭环控制模式；进一步优选地，优选地，所述的速度闭环控制模式是指根据刹车速度曲线要求输出的永磁同步电机目标速度与其实际速度之间的误差，经过PI控制器调节后输出，完成电压幅值的确定。本发明所述的速度闭环控制模式是本【技术领域】的常规术语，意指变频器以控制电机的实际转速为目的，由PI (Proportional Integral)控制器实现,永磁同步电机的实际速度通过编码器(或其它检测方式)检测。本发明所述的刹车速度曲线是按系统应用要求进行设置的。本发明所述的PI控制器具有比例调节和积分调节功能。
[0009]优选地，所述的确定电压角度的步骤为:在永磁同步电机刹车期间，检测永磁同步电机转速和转子位置，基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角，以及结合转子位置，计算得到电压角度，完成电压角度的确定。
[0010]本发明所述的电压角度是指永磁同步电机的定子电压相位角。[0011]优选地，所述的确定电压角度的步骤还包括电池电流辅助控制环节，所述的电池电流辅助控制环节输出用于调整各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角的修正角，当电池充电电池小于或等于电池充电电流最大安全值时，修正角为零；当充电电流大于电池充电电流最大安全值时，修正角对各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角进行修正，以降低永磁同步电机的工作效率，即降低电池充电电流，从而把电池充电电流控制在其安全值范围内，保证电池的使用寿命。
[0012]优选地，所述的基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角以永磁同步电机处于其最佳工作效率为控制目标，使得在满足刹车速度曲线要求以及确保电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值的条件下，使电池最大程度地实现充电，有效延长了电池的运行时间，如负载为电动车类，则有效延长了电动车的运行里程。
[0013]优选地，所述的电池电流辅助控制环节具体包括电池充电电流检测、单向限幅控制和比例控制器，所述的比例控制器根据电池充电电流检测和预先设置的电池充电电流最大安全值输出用于调整各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角的修正角，单向限幅控制使得电池电流辅助控制环节仅在电池充电电流大于或接近电池充电电流最大安全值时器起作用，即当电池充电电池小于或等于电池充电电流最大安全值时，修正角为零；当充电电流大于电池充电电流最大安全值时，计算并确定修正角，以降低永磁同步电机的工作效率，即降低电池充电电流，从而把电池充电电流控制在其安全值范围内，保证电池的使用寿命。
[0014]本发明所述的比例控制器也可称为KP控制器，具有比例调节功能，即具备传统PI控制器中的比例项功能。
[0015]优选地，通过速度检测模块检测得到永磁同步电机转速和转子位置。所述的速度检测模块包括传感器，进一步优选地，所述的传感器可以是霍尔传感器或位于其他位置的传感器。
[0016]优选地，通过角度转速表检测得到各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角。
[0017]优选地，所述的永磁同步电机的最佳工作效率是通过测功机测试得到的。
[0018]本发明所述的永磁同步电机是公知的，核心部件包括定子和永磁磁极转子，定子包括绕组等。进一步地，与对于本发明未涉及的解释内容或其他技术内容相信是本领域技术人员的公知常识或惯用手段，在此不再一一文字赘述。
[0019]本发明所述的负载可以是电动自行车、电动车或混合动力汽车，也可以是其他类型。
[0020]当然，显而易见地，本发明所述的永磁同步电机刹车控制方法根据实际需求应用与交流电源、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统。
[0021]本发明的工作原理和优点:
[0022]1、本发明既满足了根据刹车速度曲线需求实现对永磁同步电机的刹车的同时，本发明还通过电池电流辅助控制环节输出用于调整各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角的修正角，当电池充电电池小于或等于电池充电电流最大安全值时，修正角为零；当充电电流大于电池充电电流最大安全值时，修正角对各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角进行修正，以降低永磁同步电机的工作效率，即降低电池充电电流,从而把电池充电电流控制在其安全值范围内，有效保证了电池的使用寿命。[0023]2.本发明以永磁同步电机处于其最佳工作效率为控制目标，基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角使得在满足刹车速度曲线要求以及确保电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值的条件下，使电池最大程度地实现充电，有效延长了电池的运行时间，如负载为电动车类，则有效延长了电动车的运行里程。
[0024]3.本发明提供的控制算法简单，控制精确，容易实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]附图1是本发明的应用系统框图；
[0026]附图2是本发明的变频器与电池、永磁同步电机的连接框图；
[0027]附图3是本发明实施例11的刹车软件控制算法示意图；
【具体实施方式】
[0028]如图1所示，本发明的应用系统由电池、变频器、永磁同步电机和负载依次连接组成，如图2所示，变频器包括驱动控制芯片及其外围电路模块、速度检测模块、IGBT或IPM功率模块，电池接入功率模块，IGBT或IPM功率模块由驱动控制芯片及其外围电路控制，由驱动控制芯片及其外围电路模块向IGBT或IPM功率模块输出PWM号，IGBT或IPM功率模块将PWM信号转换成模拟电压输出给永磁同步电机,速度检测模块设置在永磁同步电机与驱动控制芯片及其外围电路模块之间，用于检测永磁同步电机的实际速度(转速)以及转子位置并向驱动控制芯片及其外围电路模块输出。
[0029]本发明所述变频器的基本工作原理为:所述的驱动控制芯片及其外围电路模块中含有控制变频器电压输出的运行软件，以便驱动控制芯片及其外围电路模块根据永磁同步电机转速通过软件控制算法实现在满足刹车速度曲线要求以及确保电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值的条件下，确定电压幅值和电压角度，驱动控制芯片及其外围电路模块基于确定的电压幅值和电压角度计算输出电压后，将输出电压以PWM信号的形式向IGBT或IPM功率模块输出，IGBT或IPM功率模块将PWM信号转换成模拟电压输出给永磁同步电机，最终实现电池供电的永磁同步电机刹车控制。
[0030]实施例1、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，应用于如图1和图2所示的电池、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统，其中:所述变频器的控制方法包括以下步骤:
[0031](I)、在永磁同步电机刹车期间，在满足刹车速度曲线要求以及确保电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值的条件下，确定电压幅值和电压角度；
[0032]( 2 )、基于确定的电压幅值和电压角度计算向永磁同步电机的输出电压，并向永磁同步电机输出，实现永磁同步电机的刹车性能。
[0033]实施例2、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其中:所述的确定电压幅值的步骤采用速度闭环控制模式，其余同实施例1。
[0034]实施例3、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其中:所述的确定电压角度的步骤为:在永磁同步电机刹车期间，检测永磁同步电机转速和转子位置，基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角，以及结合转子位置，计算得到电压角度，完成电压角度的确定，其余同实施例1或实施例2。[0035]实施例4、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其中:所述的确定电压角度的步骤还包括电池电流辅助控制环节，所述的电池电流辅助控制环节输出用于调整各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角的修正角，当电池充电电池小于或等于电池充电电流最大安全值时，修正角为零；当充电电流大于电池充电电流最大安全值时，修正角对各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角进行修正，以降低永磁同步电机的工作效率，从而把电池充电电流控制在其安全值范围内，保证电池的使用寿命，其余同实施例3。
[0036]实施例5、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法,其中:所述的基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角以永磁同步电机处于其最佳工作效率为控制目标，其余同实施例3或实施例4。
[0037]实施例6、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其中:所述的电池电流辅助控制环节具体包括电池充电电流检测、单向限幅控制和比例控制器，所述的比例控制器根据电池充电电流检测和预先设置的电池充电电流最大安全值输出用于调整各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角的修正角，单向限幅控制使得电池电流辅助控制环节仅在电池充电电流大于或接近电池充电电流最大安全值时器起作用，即当电池充电电池小于或等于电池充电电流最大安全值时，修正角为零；当充电电流大于电池充电电流最大安全值时，计算并确定修正角，以降低永磁同步电机的工作效率，从而把电池充电电流控制在其安全值范围内，保证电池的使用寿命，其余同实施例4或实施例5。
[0038]实施例7、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其中:所述的速度闭环控制模式是指根据刹车速度曲线要求输出的永磁同步电机目标速度与其实际速度之间的误差，经过PI控制器调节后输出，完成电压幅值的确定，其余同实施例2-6中的任意一种实施例。
[0039]实施例8、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其中:通过速度检测模块检测得到永磁同步电机转速和转子位置，其余同实施例3-7中的任意一种实施例。
[0040]实施例9、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其中:通过角度转速表检测得到各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角，其余同实施例3-8中的任意一种实施例。
[0041]实施例10、一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其中:所述的永磁同步电机的最佳工作效率是通过测功机测试得到的，其余同实施例5-9中的任意一种实施例。
[0042]实施例11、如图3所示，一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，应用于电池、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统，其中:所述变频器的控制方法包括以下步骤:
[0043](I)、在永磁同步电机刹车期间，在满足刹车速度曲线要求以及确保电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值的条件下，确定电压幅值和电压角度；
[0044]所述的确定电压幅值的步骤采用速度闭环控制模式，所述的速度闭环控制模式是指根据刹车速度曲线要求输出的永磁同步电机目标速度与其实际速度之间的误差，经过PI控制器调节后输出，完成电压幅值的确定；
[0045]所述的确定电压角度的步骤为:在永磁同步电机刹车期间，通过速度检测模块检测永磁同步电机转速和转子位置，基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角，并通过角度转速表检测输出该确定的各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角；还包括电池电流辅助控制环节，所述的电池电流辅助控制环节具体包括电池充电电流检测、单向限幅控制和比例控制器，所述的比例控制器根据电池充电电流检测和预先设置的电池充电电流最大安全值输出用于调整各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角的修正角，单向限幅控制使得电池电流辅助控制环节仅在电池充电电流大于或接近电池充电电流最大安全值时器起作用，即当电池充电电池小于或等于电池充电电流最大安全值时，修正角为零；当充电电流大于电池充电电流最大安全值时，计算并确定修正角，以降低永磁同步电机的工作效率，从而把电池充电电流控制在其安全值范围内，保证电池的使用寿命；根据确定的各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角、检测得到的转子位置以及电池电流辅助控制环节输出的修正角计算得到电压角度，完成电压角度的确定；
[0046](2)、控制芯片及其外围电路模块基于确定的电压幅值和电压角度计算输出电压后，输出电压通过控制芯片及其外围电路模块中的SVPMW模块以PWM信号的形式向IGBT或IPM功率模块输出，IGBT或IPM功率模块将PWM信号转换成模拟电压输出给永磁同步电机，最终实现电池供电的永磁同步电机刹车控制，其余同实施例8或实施例9或实施例10。
[0047]本实施例11附图3所述的“ + ”和“一”为控制算法的运算符号，为本领域技术人员的常规运算符，在此不再对附图3所披露而未进行文字说明的技术内容不再进行一一赘述，相信本领域技术人员完全能够实现。
[0048]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，如对速度闭环控制方法、电池电流辅助控制环节的具体实现方法的等同替换做出若干改进和润饰，同时本发明不仅局限应用于永磁同步电机，还可以应用于其他类型电机，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，应用于电池、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统，其特征在于:所述变频器的控制方法包括以下步骤: (1)、在永磁同步电机刹车期间，在满足刹车速度曲线要求以及确保电池充电电流不超过电池充电电流最大安全值的条件下，确定电压幅值和电压角度； (2)、基于确定的电压幅值和电压角度计算向永磁同步电机的输出电压，并向永磁同步电机输出，实现永磁同步电机的刹车性能。
2.如权利要求1所述的一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于:所述的确定电压幅值的步骤采用速度闭环控制模式。
3.如权利要求1所述的一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于:所述的确定电压角度的步骤为:在永磁同步电机刹车期间，检测永磁同步电机转速和转子位置，基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角，以及结合转子位置，计算得到电压角度，完成电压角度的确定。
4.如权利要求3所述的一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于:所述的确定电压角度的步骤还包括电池电流辅助控制环节，所述的电池电流辅助控制环节输出用于调整各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角的修正角，当电池充电电池小于或等于电池充电电流最大安全值时，修正角为零；当充电电流大于电池充电电流最大安全值时，修正角对各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角进行修正，以降低永磁同步电机的工作效率，从而把电池充电电流控制在其安全值范围内，保证电池的使用寿命。
5.如权利要求3或4所述的一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于:所述的基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角以永磁同步电机处于其最佳工作效率为控制目标。
6.如权利要求4所述的一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于:所述的电池电流辅助控制环节具体包括电池充电电流检测、单向限幅控制和比例控制器，所述的比例控制器根据电池充电电流检测和预先设置的电池充电电流最大安全值输出用于调整各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角的修正角，单向限幅控制使得电池电流辅助控制环节仅在电池充电电流大于或接近电池充电电流最大安全值时器起作用，即当电池充电电池小于或等于电池充电电流最大安全值时，修正角为零；当充电电流大于电池充电电流最大安全值时，计算并确定修正角，以降低永磁同步电机的工作效率，从而把电池充电电流控制在其安全值范围内，保证电池的使用寿命。
7.如权利要求2所述的一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于:所述的速度闭环控制模式是指根据刹车速度曲线要求输出的永磁同步电机目标速度与其实际速度之间的误差，经过PI控制器调节后输出，完成电压幅值的确定。
8.如权利要求3所述的一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于:通过速度检测模块检测得到永磁同步电机转速和转子位置。
9.如权利要求3所述的一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于:通过角度转速表检测得到各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角。
10.如权利要求5所述的一种电池供电的永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于:所述的永磁同步电机的最佳工作效率是通过测功机测试得到的。
【文档编号】H02P6/24GK103490684SQ201210191116
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年6月11日 优先权日:2012年6月11日
【发明者】何志明, 周文忠, 王铁军, 王超 申请人:无锡艾柯威科技有限公司