一种针对能量反馈的电机矢量控制方法、装置及电动车与流程

本发明属于电子领域，尤其涉及一种针对能量反馈的电机矢量控制方法、装置及电动车。

背景技术：

电动车以其清洁无污染、转换效率高和维修方便等优点，已成为目前人们出行的主要代步工具之一，由于要节省电能，目前电动车普遍采用能量反馈制动的控制方式节能。

但是，电动车长时间采用能量反馈制动时(如长时间下坡)，会使电池过充，导致电池电压升高，损坏电池，因此要将能量反馈制动产生的多余的电能通过放电电阻消耗掉或者存储在超级电容当中，从而增加了电机控制器的体积、重量、成本；并且采用能量反馈制动时，电池电压充电过压或过流保护后，就不能再产生制动力了。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种针对能量反馈的电机矢量控制方法，旨在解决现有电动车在能量反馈制动时电池过压以及由于过压保护导致电机无法产生制动力的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种针对能量反馈的电机矢量控制方法，所述方法包括：

电机在进入能量反馈制动模式后，设置Iq为一负值；

判断电池是否处于充电饱和状态；

若否，则控制Id＝0；

若是，则控制Id为一负值；

根据Iq、Id进行矢量控制，控制电机实现能量反馈。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种针对能量反馈的电机矢量控制装置，所述装置包括：

Iq控制单元，用于电机在进入能量反馈制动模式后，设置Iq为一负值；

电池饱和判断单元，用于判断电池是否处于充电饱和状态；

Id控制单元，用于在电池未处于充电饱和状态时控制Id＝0，在电池处于充电饱和状态时控制Id为一负值；

矢量控制单元，用于根据Iq、Id进行矢量控制，控制电机实现能量反馈。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种包括上述针对能量反馈的电机矢量控制装置的电动车。

本发明实施例在电机制动时，控制Iq为一负值，并在电池充电未饱和时控制Id＝0，在电池充电饱和时控制Id为某一负值，再根据Iq、Id进行矢量控制，实现能量反馈，在不增加电机控制器元件的条件下，在制动时不会使电池产生过压问题，也不会导致过压保护或过流保护后，无法产生制动力的问题。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的针对能量反馈的电机矢量控制方法的流程结构图；

图2为本发明第二实施例提供的针对能量反馈的电机矢量控制方法的流程结构图；

图3为本发明实施例提供的针对能量反馈的电机矢量控制装置的结构图；

图4a为常规刹车测试结果图；

图4b为采用本发明实施例后刹车制动的测试结果图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例在电机制动时，控制Iq为一负值，并在电池充电未饱和时控制Id＝0，在电池充电饱和时控制Id为某一负值，再根据Iq、Id进行矢量控制，实现能量反馈，解决了电池因过压保护或过流保护无法产生制动力的问题。

图1示出了本发明第一实施例提供的针对能量反馈的电机矢量控制方法的流程结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该针对能量反馈的电机矢量控制方法包括：

在步骤S101中，电机在进入能量反馈制动模式后，设置Iq(交轴电流)为一负值；

在本发明实施例中，对于直流无刷电机(BLDC)，磁钢结构如果是表贴式的，那么在电机进入能量反馈制动模式之前正常驱动时，采用Iq给定为某一正值、Id＝0的控制方式，每单位的电流产生的电磁力矩最大。

在电机进入能量反馈制动模式后，此时制动力Iq设置为某一负值，该值可以由程序内部固定预设的，也可以是根据外部刹车把的开度来计算决定，Iq的大小决定刹车的力度。

在步骤S102中，判断电池是否处于充电饱和状态；

若否，则执行步骤S103，控制Id(直轴电流)＝0；

若是，则执行步骤S104，控制Id为一负值；

在本发明实施例中，步骤S102可以通过电池电压或电池电流来判断电池是否处于充电饱和状态，通过充电电压判断具体为：

检测电池的充电电压；

判断电池的充电电压是否低于过压保护值；

若是，则电池未处于充电饱和状态；

若否，则电池处于充电饱和状态。

通过充电电流判断具体为：

检测电池的充电电流；

判断电池的充电电流是否低于过流保护值；

若是，则电池未处于充电饱和状态；

若否，则电池处于充电饱和状态。

在本发明实施例中，如果电池的充电电压比较高的时候，达到过压保护值时，或电池的充电电流达到过流保护值时，在电机进入能量反馈制动模式后，要对充电电压和充电电流进行控制，以过压保护值或过流保护值为控制目标，实时调整Id的大小，以保证制动时不会过压或过流，以免损坏电池。

对于设置Id的负值大小，可以根据不同型号电池的过压保护点经过实验确定后得出。

在步骤S105中，根据Iq、Id进行矢量控制，控制电机实现能量反馈。

在本发明实施例中，将Iq和Id分别发送给FOC的电流PI调节器和磁通PI调节器进行计算得到Vq、Vd，再通过反PARK变换、SVPWM(空间矢量脉宽调制)以及逆变单元控制电机进行能量反馈。至此本次循环结束，如果下次循环仍然是制动模式，那么重新设置Iq为一负值，判断电池是否处于充电饱和状态，进入下次循环。

以表贴式直流无刷电机(BLDC)为例，在正常驱动时，Id＝0，这样单位电流产生的电磁力矩最大，BLDC的d、q轴的电流分量可以表示如下：

Id＝iscosβ

Iq＝issinβ (1)

其中，Id为直轴电流，Iq为交轴电流。is为相电流，β为转矩角。

BLDC的扭矩方程表示如下：

其中，Tem是电磁扭矩，pn是电机极对数，ψf是永磁体磁链，Ld、Lq为d、q轴电感。

由(1)(2)式，通过对Tem求极值，可以得到表贴式BLDC最大扭矩时β＝90°。这时单位电流产生的扭矩是最大的。

在能量反馈制动时，电磁扭矩方向与电机的运行方向相反，使Iq为某一负值，且电池未处于饱和状态，令Id＝0，通过上式推导，可以得到此时的反向电磁扭矩是最大的，因此此时可以对电池进行充电，进行能量回收，提高续航里程。

在能量反馈制动时，且电池处于饱和状态时，使Iq、Id分别设置为一负值，根据矢量控制的原理，正向驱动的时候，电机的电流矢量超前转子的磁链矢量(即Iq为正)，当Iq为负时，电机的电流矢量变成落后于转子的磁链矢量，电机就产生反向的驱动力，即制动力。此时直流电流为负，电池处于充电状态，直流电压会上升。此时设置Id为负，电流落后磁链会更多，使部分能量消耗到电机上，减小了直流充电电流，抑制了直流电压的上升。

本发明实施例在电机制动时，控制Iq为一负值，并在电池充电未饱和时控制Id＝0，在电池充电饱和时控制Id为某一负值，再根据Iq、Id进行矢量控制，实现能量反馈，在不增加电机控制器元件的条件下，在制动时不会使电池产生过压问题，也不会导致过压保护或过流保护后，无法产生制动力的问题。

图2示出了本发明第二实施例提供的针对能量反馈的电机矢量控制方法的流程结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该针对能量反馈的电机矢量控制方法包括：

在步骤S201中，电机在进入能量反馈制动模式后，设置Iq为一负值；

在步骤S202中，判断电池是否处于充电饱和状态；

若否，则执行步骤S203，将Id加上固定步进量，然后直接执行步骤S207；

若是，则执行步骤S204，将Id减去固定步进量；

在步骤S204之后，执行步骤S205，判断Id是否小于最小值，该最小值为根据系统运行状态设定的一负值，例如设置为PI调节器的输出界限；

若是，则执行步骤S206，令Id等于最小值；

若否，则直接执行步骤S207；

在步骤S207中，判断Id是否大于0；

若是，则执行步骤S208，令Id＝0；

若否，则令Id保持不变，直接执行步骤S209。

在步骤S209中，根据Iq、Id进行矢量控制，控制电机实现能量反馈。

在本发明实施例中，在进入能量反馈制动模式后，如果充电电压达到过压保护值或充电电流达到过流保护值时，就将Id减去一固定步进量，然后判断负值的Id是否会小于最小值，如果小于最小值，则将负值的Id设置为最小值，否则就不变。

然后将负值的Iq和Id分别发送给进入FOC的电流PI调节器、磁通PI调节器进行计算，从而进行矢量控制。至此本次循环结束，然后进入下次循环。

如果下次循环仍然是制动模式，且如果充电电压没有达到过压保护值或充电电流没有达到过流保护值时，就将Id加上一固定步进量，最后判断Id是否会大于0，若大于0就将Id限制在0，否则进入下一步骤，将Iq和Id输入给FOC的电流PI调节器、磁通PI调节器进行计算，进行矢量控制。

在本发明实施例中，加上的步进量和减去的步进量可以相同，也可以不同。最优的设定根据控制系统的响应时间反复调试得到。

优选地，还可以采用PI的调节的方法调整Id的大小。

图4a显示了常规刹车测试结果，其中A1曲线为制动时电池电压的变化曲线，A2曲线为电机相电流变化曲线，A3曲线为制动时充电电压的变化曲线；可以看出，采用常规方法实施制动，充电电流比较大，电池电压会明显上升。

图4b显示了采用本发明实施例后刹车制动的测试结果，其中B1曲线为制动时电池电压的变化曲线，B2曲线为电机相电流的变化曲线，B3曲线为制动时充电电压的变化曲线；可以看出，采用本发明实施例实现能量反馈制动，充电电流比较小，电池电压没有明显上升，因此电池充电得到很好的控制，不会出现过压或过流的现象，从而避免了由于过压保护或过流保护导致的无法产生制动力的问题。

值得说明的是，本发明实施例中的方法不只局限于表贴式永磁同步电机，其他永磁同步电机或异步电机均适用，特别实用于表贴式直流无刷电机(BLDC)。

本发明实施例在电机制动时，控制Iq为一负值，并在电池充电未饱和时控制Id＝0，在电池充电饱和时控制Id为某一负值，再根据Iq、Id进行矢量控制，实现能量反馈，在不增加电机控制器元件的条件下，在制动时不会使电池产生过压问题，也不会导致过压保护或过流保护后，无法产生制动力的问题。

图3示出了本发明实施例提供的针对能量反馈的电机矢量控制装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该针对能量反馈的电机矢量控制装置可以应用于电动车、便携式电动车以及电动平衡车中，该针对能量反馈的电机矢量控制装置包括：

Iq(交轴电流)控制单元11，用于电机在进入能量反馈制动模式后，设置Iq为一负值；

电池饱和判断单元12，用于判断电池是否处于充电饱和状态；

Id(直轴电流)控制单元13，用于在电池未处于充电饱和状态时控制Id＝0，在电池处于充电饱和状态时控制Id为一负值；

矢量控制单元14，用于根据Iq、Id进行矢量控制，控制电机实现能量反馈。

作为本发明一优选实施例，Iq控制单元通过预设或通过刹车把开度计算将Iq设置为一负值。

作为本发明一优选实施例，电池饱和判断单元包括：

电池检测模块，用于检测电池电压或电池电流；

过充判断模块，用于判断电池电压是否低于过压保护值或电池电流是否低于过流保护值，若是，则电池未处于充电饱和状态；若否，则电池处于充电饱和状态。

作为本发明一优选实施例，Id控制单元还包括一Id判断模块，用于判断Id是否大于0和判断Id是否小于最小值；

Id控制单元在电池未处于充电饱和状态时，将Id加上固定步进量，并在Id大于0时控制Id＝0；

Id控制单元在电池处于充电饱和状态时，将Id减去固定步进量，并在Id小于最小值时控制Id等于最小值，在Id不小于最小值且大于0时控制Id＝0。

在本发明实施例中，对于直流无刷电机(BLDC)，磁钢结构如果是表贴式的，那么在电机进入能量反馈制动模式之前正常驱动时，采用Iq给定为某一正值、Id＝0的控制方式，每单位的电流产生的电磁力矩最大。

在电机进入能量反馈制动模式后，此时制动力Iq设置为某一负值，该值可以由程序内部固定预设的，也可以是根据外部刹车把的开度来计算决定，Iq的大小决定刹车的力度。

如果电池的充电电压比较高的时候，达到过压保护值时，或电池的充电电流达到过流保护值时，在电机进入能量反馈制动模式后，要对充电电压和充电电流进行控制，以过压保护值或过流保护值为控制目标，实时调整Id的大小，以保证制动时不会过压或过流，以免损坏电池。

对于设置Id的负值大小，可以根据不同型号电池的过压保护点经过实验确定后得出。

最后，将Iq和Id分别发送给FOC的电流PI调节器和磁通PI调节器进行计算得到Vq、Vd，再通过反PARK变换、SVPWM以及逆变单元控制电机进行能量反馈。至此本次循环结束，如果下次循环仍然是制动模式，那么重新设置Iq为一负值，判断电池是否处于充电饱和状态，进入下次循环。

在本发明实施例中，在进入能量反馈制动模式后，如果充电电压达到过压保护值或充电电流达到过流保护值时，就将Id减去一固定步进量，然后判断负值的Id是否会小于最小值，如果小于最小值，则将负值的Id设置为最小值，否则就不变。

然后将负值的Iq和Id分别发送给进入FOC的电流PI调节器、磁通PI调节器进行计算，从而进行矢量控制。至此本次循环结束，然后进入下次循环。

如果下次循环仍然是制动模式，且如果充电电压没有达到过压保护值或充电电流没有达到过流保护值时，就将Id加上一固定步进量，最后判断Id是否会大于0，若大于0就将Id限制在0，否则进入下一步骤，将Iq和Id输入给FOC的电流PI调节器、磁通PI调节器进行计算，进行矢量控制。

在本发明实施例中，加上的步进量和减去的步进量可以相同，也可以不同。最优的设定根据控制系统的响应时间反复调试得到。

优选地，还可以采用PI的调节的方法调整Id的大小。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种包括上述针对能量反馈的电机矢量控制装置的电动车。

本发明实施例在电机制动时，控制Iq为一负值，并在电池充电未饱和时控制Id＝0，在电池充电饱和时控制Id为某一负值，再根据Iq、Id进行矢量控制，实现能量反馈，在不增加电机控制器元件的条件下，在制动时不会使电池产生过压问题，也不会导致过压保护或过流保护后，无法产生制动力的问题。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。