一种凸极式永磁同步电机弱磁区域的转矩控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种凸极式永磁同步电机弱磁区域的转矩控制方法，其特征是：基于凸极式永磁同步电机的转矩估计，将指令转矩与转矩估计进行比较，通过单转矩闭环PI调节器生成逆变器参考电压矢量的弱磁区相位角，鉴于逆变器参考电压矢量的弱磁区相位角和电机输出的电磁转矩之间存在单调关系，单独控制逆变器参考电压矢量的弱磁区相位角实现控制系统在弱磁区的动态转矩控制。本发明有效克服了传统的基于双电流PI调节器闭环控制的凸极式永磁同步电机控制系统运行于弱磁区时出现的调节器饱和故障且兼具鲁棒性强的技术优势，能够实现电动汽车电驱动系统安全可靠地持续运行。
【专利说明】一种凸极式永磁同步电机弱磁区域的转矩控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电动汽车用凸极式永磁同步电机弱磁区域的转矩控制方法，实现凸极 式永磁同步电机在弱磁区域的转矩控制。
【背景技术】
[0002] 随着能源危机的加深，环境污染日趋严重，国家十二五中长期规划明确指出新能 源电动汽车将是重点发展方向，随着政策措施的落实，市场配套条件的完善，新能源电动汽 车将是公民绿色出行首选方式之一。
[0003] 电驱动系统是纯电动汽车唯一的动力输出，其驱动电机多米用永磁同步电机，相 对于表贴式永磁同步电机，凸极式永磁同步电机的永磁体嵌入转子磁钢内部，机械强度大 大增强，满足车用电机高速运行工况；此外，因其电机生成的电磁转矩中含有磁阻转矩，转 矩输出性能得以提升，增强了整车动力性。但是，凸极式永磁同步电机驱动系统在弱磁区域 运行时，受永磁体材料的非线性B-H曲线特性、电机凸极式拓扑结构以及汽车实际运行时 复杂工况影响，其直轴磁路和交轴磁路易出现磁路饱和及交叉耦合，使基于双电流闭环控 制的PI调节器出现饱和失调的故障，导致系统的转矩控制精度下降，严重时甚至导致系统 失稳。
[0004] 为了抑制电流PI调节器饱和失调故障，最初采用前馈解耦控制方案，但前馈解耦 控制方案对电机参数的依耐性强，实际控制效果不佳。为此，后续提出了单电流调节器控制 方案，定子直轴电流闭环控制的PI调节器生成定子直轴电压指令，而定子交轴电压指令则 采用查表法直接获取，该方案虽能有效避免电流PI调节器饱和，但其定子交轴电压指令是 离线获取，而满足电机实际运行工况的定子交轴电压指令是难以离线准确计算获取的。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了克服上述现有技术所存在的不足，提出一种车用凸极式永磁同步电 机在弱磁区区域的转矩控制方法，实现电动汽车电驱动系统安全、稳定及持续运行。
[0006] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0007] 本发明凸极式永磁同步电机弱磁区域的转矩控制方法，设置凸极式永磁同步电机 的控制系统包括：恒转矩区电压指令发生器、弱磁区电压指令发生器、SVPWM调制模块、逆 变器、电流传感器、位置传感器和电压传感器；所述恒转矩区电压指令发生器包括恒转矩区 定子电流指令表、恒转矩区定子直轴电流PI调节器和恒转矩区定子交轴电流PI调节器；所 述弱磁区电压指令发生器包括转矩估计模块和转矩闭环PI调节器；其特征是所述转矩控 制方法按如下步骤进行：
[0008] 步骤一、设定控制系统运行的采样周期为Ts。
[0009] 步骤二、按如下方式获得第k个采样周期实际定子直轴电流id(k)，第k个采样周 期实际定子交轴电流i q(k)，第k个采样周期转子实际位置角a (k)和第k个采样周期转子 实际转速《^(k)。
[0010] 利用电流传感器检测获得第k个采样周期定子a相电流ia(k)和第k个采样周期 定子b相电流i b(k)，利用位置传感器检测获得第k个采样周期转子实际位置角a (k)，通 过式（1)进行坐标变换，获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下凸极式永磁同步电机 第k个采样周期实际定子直轴电流、〇〇和第k个采样周期实际定子交轴电流i q(k):
[0011]
【权利要求】
1. 一种凸极式永磁同步电机弱磁区域的转矩控制方法，设置凸极式永磁同步电机的控 制系统包括：恒转矩区电压指令发生器、弱磁区电压指令发生器、SVPWM调制模块、逆变器、 电流传感器、位置传感器和电压传感器；所述恒转矩区电压指令发生器包括恒转矩区定子 电流指令表、恒转矩区定子直轴电流PI调节器和恒转矩区定子交轴电流PI调节器；所述弱 磁区电压指令发生器包括转矩估计模块和转矩闭环PI调节器；其特征是：所述转矩控制方 法按如下步骤进行： 步骤一、设定控制系统运行的采样周期为Ts ; 步骤二、按如下方式获得第k个采样周期实际定子直轴电流id(k)，第k个采样周期实 际定子交轴电流iq(k)，第k个采样周期转子实际位置角a(k)和第k个采样周期转子实际 转速《m(k): 利用电流传感器检测获得第k个采样周期定子a相电流ia (k)和第k个采样周期定子b相电流ib(k)，利用位置传感器检测获得第k个采样周期转子实际位置角a(k)，通过式（1) 进行坐标变换，获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下凸极式永磁同步电机第k个采 样周期实际定子直轴电流id(k)和第k个采样周期实际定子交轴电流iq(k):
式（1)中，k彡1且k取为正整数，k= 1，2, 3,…； 利用第k个采样周期转子实际位置角a(k)计算获得第k个采样周期转子实际转速 Wm(k); 步骤三、控制系统运行于恒转矩区时，利用恒转矩区电压指令发生器获得第k个采样 周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴 指令< (M，并按如下步骤判断控制系统是否需要从恒转矩区进入弱磁区运行： a、控制系统运行于恒转矩区时，采用最大转矩电流比控制策略按如下方式实现电磁转 矩的动态控制：根据第k个采样周期指令转矩r(A)查找恒转矩区定子电流指令表获得第 k个采样周期定子直轴电流指令(UO和第k个采样周期定子交轴电流指令，由式（2) 获得第k个采样周期逆变器参考电压矢量的恒转矩区直轴指令*4 (〇和第k个采样周期逆 变器参考电压矢量的恒转矩区交轴指令（（夂）：
式（2)中，kpd为恒转矩区定子直轴电流PI调节器比例系数，kid为恒转矩区定子直轴 电流PI调节器积分系数；kM为恒转矩区定子交轴电流PI调节器比例系数，kiq为恒转矩区 定子交轴电流PI调节器积分系数； b、 按式（3)计算获得第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个 采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令 < 斤）：
c、 根据第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个采样周期逆变 器参考电压矢量的交轴指令以及第k个采样周期转子实际位置角a(k)，经过SVPWM 调制模块生成第k个采样周期逆变器控制信号Sa(k)、Sb (k)、S。(k)，控制永磁同步电机定子 三相电压，实现对凸极式永磁同步电机在恒转矩区的动态转矩控制； d、 按式（4)计算获得第k个采样周期逆变器参考电压矢量的恒转矩区幅值Uml(k):
e、 逆变器采用SVPWM线性调制策略，并忽略逆变器的非线性，根据式（5)实现控制系统 从恒转矩区到弱磁区的切换；
其中UtkGO是通过电压传感器检测到的第k个采样周期逆变器直流侧电压； 当式（5)中△ (k)大于等于零，控制系统保持在恒转矩区运行，并在步骤二至步骤三 中按采样周期Ts循环，实现控制系统在恒转矩区的转矩控制以及从恒转矩区到弱磁区的切 换，当式（5)中A(k)小于零，表示逆变器达到其输出能力的极限，在下一采样周期到来时， 控制系统切换到弱磁区运行； 步骤四、控制系统运行于弱磁区时，利用弱磁区电压指令发生器按如下方式获得第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令〃；；（〇和第k个采样周期逆变器参考电压矢量 的交轴指令<(夂）； a、 假定在执行步骤三时，在k=m-l，即第m-1个采样周期时，式（5)中的A(m-l)小于 零，则控制系统在第m个采样周期到来时运行于弱磁区，此时k=m，m为正整数； b、 为了实现控制系统从恒转矩区到弱磁区的平滑切换，将控制系统在恒转矩区运行时 第m-l个采样周期的逆变器参考电压矢量的恒转矩区相位角终值作为控制系统在弱磁区 运行时转矩闭环PI调节器中积分器的初值3 〇，所述转矩闭环PI调节器中积分器的初值 3。由式（6)给出：
式（6)中，
为k=m-l，即第m-l个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令
即第m-l个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴轴指令
C、所述控制方法是基于数字微处理器实现，所述数字微处理器是实施离散控制，因此， 计算获得的第k-2个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令
i和第k-2个采样周 期逆变器参考电压矢量的交轴指令
，在第k-1个采样周期才会作用于实际电机， 生成第k个采样周期实际定子直轴电流id(k)和第k个采样周期实际定子交轴电流iq(k); 因此，控制系统在第m个采样周期切换至弱磁区运行时，此时k=m，根据第k-2个采样周 期逆变器参考电压矢量直轴指令
、第k-2个采样周期逆变器参考电压矢量交轴指 令
、第k个采样周期实际定子直轴电流id(k)，第k个采样周期实际定子交轴电流 iq(k)和第k个采样周期转子实际转速COnl (k)，利用转矩估计模块获得第k个采样周期估计 转矩厂,(/:)如式（7):
式（7)中，Rs为定子绕组相电阻； d、 按式（8)生成第k个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区相位角P(k):
式（8)中，kpt为转矩闭环PI调节器的比例系数；kit为转矩闭环PI调节器的积分系数； e、 对于逆变器采用SVPWM线性调制策略，并忽略逆变器的非线性，考虑到逆变器已达 到其输出能力的极限，则第k个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区幅值Um2(k)计算依 据如式（9)所示：
f、 将第k个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区幅值U1112 (k)与第k个采样周期逆变 器参考电压矢量的弱磁区相位角P(k)输入至弱磁区电压指令发生器，按式（10)生成第k 个采样周期逆变器参考电压矢量的弱磁区直轴指令〃!2("和第k个采样周期逆变器参考电 压矢量的弱磁区交轴指令(幻：
g、控制系统在弱磁区运行时，生成第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令 岣和第k个采样周期逆变器参考电压矢量的交轴指令<#)，如式（11)所示；
h、 根据第k个采样周期逆变器参考电压矢量的直轴指令和第k个采样周期逆变 器参考电压矢量的交轴指令 <(幻以及第k个采样周期转子实际位置角a(k)，经过SVPWM 调制模块生成第k个采样周期逆变器控制信号Sa(k)、Sb (k)、S。(k)，控制永磁同步电机定子 三相电压； i、 按采样周期Ts循环实施步骤二和步骤四，实现对凸极式永磁同步电机在弱磁区的动 态转矩控制。
【文档编号】H02P21/00GK104242766SQ201410446706
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】李红梅, 周亚男, 刘子豪 申请人:合肥工业大学