电动汽车永磁同步电机电流前馈-电压反馈弱磁控制方法与流程

本发明涉及一种永磁同步电机。特别是涉及一种电动汽车永磁同步电机电流前馈-电压反馈弱磁控制方法。

背景技术：

内置式永磁同步电机(interiorpermanentmagnetsynchronousmachine，ipmsm)由于具有高功率密度、高可靠性和高效率等优点，在电动汽车、机床主轴驱动系统等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。随着微处理器性能不断提升以及电机控制算法不断改进和优化，另外永磁同步电机的本体设计也在不断优化，永磁同步电机驱动系统在近些年受到国内外学者的青睐，其应用领域也越来越广。当永磁同步电机应用在电动汽车驱动系统时，需要电机具有较宽的调速范围。实际中随着电机的转速的不断上升，永磁同步电机的反电势也随之上升，直到达到逆变器最大输出电压值，若继续升高转速，则会出现电机的运行点超出电压极限椭圆的情况。为了保证电机的运行点重新回到电压椭圆内，必须增大定子电流的去磁分量，削弱电机永磁体磁场，这样来维持电压平衡，从而使电机转速可以继续升高而保证电机的反电势不大于逆变器最大输出电压值，从而能够获得弱磁效果，实现电机能够运行在恒功率区域的目的，内置式永磁同步电机弱磁控制一直是国内外学者研究的热点问题。

国内外学者对电动汽车内置式永磁同步电机弱磁控制策略的研究大致可以分成两个主要方向：一是传统经典弱磁控制策略，二是新型智能弱磁控制策略。传统经典弱磁控制策略大多基于电机的数学模型，控制算法容易受到电机参数变化、负载扰动等外界环境变化的影响。新型智能弱磁控制策略，如神经网络控制、鲁棒控制等，解决了传统经典弱磁控制策略中存在的一些问题，但是其实现过程较复杂，限制了其在实际中的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效提高电动汽车电机在弱磁区动态性能的永磁同步电机电流前馈-电压反馈弱磁控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种电动汽车永磁同步电机电流前馈-电压反馈弱磁控制方法，包括如下步骤：

1)采集电动汽车内置式永磁同步电机的电流信号，并进行坐标变换得到定子电流直轴分量id和定子电流交轴分量iq；采集电压信号，得到电压源型逆变器直流母线电压udc；采集内置永磁同步电机上的旋转变压器信号，并通过计算得到电机的转子位置角θ和机械转速ωr；

2)将转速设定值ωr^*与所述的机械转速ωr做差，得到转速差值，并经过速度外环pi控制器得到定子电流交轴分量参考值iq^*；进而在电流前馈环节，分别通过mtpa算法计算出电机在恒转矩区运行时定子电流直轴分量计算值id1^*和通过弱磁算法计算出电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量计算值id2^*；当电机运行在恒功率区时，将定子电流直轴分量计算值id2^*和经过电压反馈环节得到的定子电流直轴分量补偿值δid2^*相加得到电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量最终值id3^*；然后根据电机的机械转速ωr判断电机当前运行区域，当电机运行区域为恒转矩区时，定子电流直轴分量参考值id^*等于id1^*；当电机运行区域为恒功率区时，定子电流直轴分量参考值id^*等于id3^*；当电机在恒转矩区和恒功率区之间切换时，定子电流直轴分量参考值id^*由基于加权函数的平滑切换算法得到；将定子电流直轴分量参考值id^*减去定子电流直轴分量id得到定子电流直轴分量误差值，将定子电流交轴分量参考值iq^*减去定子电流交轴分量iq得到定子电流交轴分量误差值；定子电流直轴分量误差值和定子电流交轴分量误差值分别经过pi控制器作用得到定子电压直轴分量参考值ud^*和定子电压交轴分量参考值uq^*，再经过反park变换得到定子电压α轴分量参考值uα^*和定子电压β轴分量参考值uβ^*。

3)利用步骤1)得到的转子位置角θ和步骤2)得到的定子电压α轴分量参考值uα^*和定子电压β轴分量参考值uβ^*，采用空间矢量脉宽调制方法得到6路pwm脉冲触发信号，控制电压源型逆变器工作，从而驱动电机旋转。

步骤2)中所述的在电流前馈环节，通过mtpa算法计算出电机在恒转矩区运行时定子电流直轴分量计算值id1^*的计算式如下：

式中，ld、lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψf为永磁体磁链，iq^*为定子电流交轴分量参考值；

步骤2)中所述的在电流前馈环节，通过弱磁算法计算出电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量计算值id2^*的计算式如下：

式中，ld、lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψf为永磁体磁链，iq^*为定子电流交轴分量参考值，udc为逆变器直流母线电压值，ωr为机械转速。

步骤2)中所述的电压反馈环节包括：

(1)将逆变器最大输出电压值usmax与电机输出电压幅值u做差得到电压差值e，并对电压差值e求微分得到电压差值变化率δe；

(2)根据电压差值e和电压差值变化率δe，利用模糊控制器，得到定子电流直轴分量补偿值δid2^*；

第(1)步中所述电压差值e的数学表达式如下：

e＝umax-u

其中

式中，usmax为逆变器最大输出电压值，u为电机输出电压幅值，udc为逆变器直流母线电压值，ud^*、uq^*分别为定子电压直轴分量参考值、定子电压交轴分量参考值。

第(2)步中所述的模糊控制器为两输入-单输出模糊控制器，输入为电压差值e和电压差值变化率δe，输出为定子电流直轴分量补偿值δid2，所设计的隶属度函数包括：

所述电压差值e的隶属度函数的表达式如下：

式中，电压差值e分为小、中、大三个等级，ple(x)、pme(x)和phe(x)是电压差值e为小、中、大时对应的输入隶属度函数；

所述电压差值变化率δe的隶属度函数的表达式如下：

式中，电压差值变化率δe分为小、中、大三个等级，plδe(y)、pmδe(y)和phδe(y)是电压差值e为小、中、大时对应的输入隶属度函数；

所述定子电流直轴分量补偿值id2^*的隶属度函数的表达式如下：

式中，定子电流直轴分量补偿值id2^*分为小、中、大三个等级，pli(z)、pmi(z)和phi(z)是电压差值e为小、中、大时对应的输出隶属度函数。

第(2)步中所述的模糊控制器的模糊规则如下：

(2.1)如果电压差值e为ple(x)且电压差值变化率δe为plδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pli(z)；

(2.2)如果电压差值e为ple(x)且电压差值变化率δe为pmδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pli(z)；

(2.3)如果电压差值e为ple(x)且电压差值变化率δe为phδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pmi(z)；

(2.4)如果电压差值e为pme(x)且电压差值变化率δe为plδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pli(z)；

(2.5)如果电压差值e为pme(x)且电压差值变化率δe为pmδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pmi(z)；

(2.6)如果电压差值e为pme(x)且电压差值变化率δe为phδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pmi(z)；

(2.7)如果电压差值e为phe(x)且电压差值变化率δe为plδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pmi(z)；

(2.8)如果电压差值e为phe(x)且电压差值变化率δe为pmδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为phi(z)；

(2.9)如果电压差值e为phe(x)且电压差值变化率δe为phδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为phi(z)。

步骤2)中所述的定子电流直轴分量参考值id^*由基于加权函数的平滑切换算法得到，是采用如下计算式：

式中，id^*为定子电流直轴分量参考值，id1^*为电机在恒转矩区运行时定子电流直轴分量计算值，id3^*为电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量最终值，k和1-k分别为电机在恒转矩区运行时定子电流直轴分量计算值的系数和电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量最终值的系数。

本发明的电动汽车永磁同步电机电流前馈-电压反馈弱磁控制方法，能够有效提高电机在弱磁区的动态性能，并且具有较强的参数鲁棒性，实现了电机在恒转矩区和恒功率区平滑切换。本发明有益效果如下：

(1)本发明采用基于公式计算法的电流前馈弱磁控制方法，有效提高了内置式永磁同步电机在弱磁区的动态性能，并且加入了基于模糊控制器的电压反馈环节，能够有效减小电机在实际运行工况中参数变化对控制算法的影响，提高了系统的参数鲁棒性。因此，本发明可适用于电动汽车等运行工况复杂的场合中。

(2)本发明采用基于加权函数的切换方法，以电机实际转速为切换的条件，有效避免了由于转速波动等因素造成电机在不同区域之间频繁切换，实现了电机在恒转矩区和恒功率区平滑切换。

附图说明

图1是本发明电动汽车永磁同步电机电流前馈-电压反馈弱磁控制方法系统框图；

图2是输入变量e的隶属度函数；

图3是输入变量δe的隶属度函数；

图4是输出变量δid2^*的隶属度函数；

图5是加权函数原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的电动汽车永磁同步电机电流前馈-电压反馈弱磁控制方法做出详细说明。

电动汽车永磁同步电机电流前馈-电压反馈弱磁控制方法，其特征在于，结合图1，包括如下步骤：

1)采集电动汽车内置式永磁同步电机的电流信号，并进行坐标变换得到定子电流直轴分量id和定子电流交轴分量iq；采集电压信号，得到电压源型逆变器直流母线电压udc；采集内置式永磁同步电机上的编码器脉冲信号，并通过计算得到电机的转子位置角θ和机械转速ωr；

所述的定子电流直轴分量id和定子电流交轴分量iq，以及电机的转子位置角θ和机械转速ωr是通过如下方式获得：

首先是通过对采集到的内置式永磁同步电机电流信号进行clarke变换得到定子电流α轴分量iα和定子电流β轴分量iβ，变换矩阵表示为

再进行park变换得到定子电流直轴分量id和定子电流交轴分量iq，变换矩阵表示为

式中，θ为永磁同步电机的转子位置角。

通过微处理器内部a/d转换接口采集逆变器直流母线电压udc；通过微处理器内部eqep模块处理由编码器得到的信号，得到永磁同步电机的转子位置角θ和电机的机械转速ωr。

2)将转速设定值ωr^*与所述的机械转速ωr做差，得到转速差值，并经过速度外环pi控制器得到定子电流交轴分量参考值iq^*；进而在电流前馈环节，分别通过mtpa算法计算出电机在恒转矩区运行时定子电流直轴分量计算值id1^*和通过弱磁算法计算出电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量计算值id2^*；当电机运行在恒功率区时，将定子电流直轴分量计算值id2^*和经过电压反馈环节得到的定子电流直轴分量补偿值δid2^*相加得到电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量最终值id3^*；然后根据电机的机械转速ωr判断电机当前运行区域，当电机运行区域为恒转矩区时，定子电流直轴分量参考值id^*等于id1^*；当电机运行区域为恒功率区时，定子电流直轴分量参考值id^*等于id3^*；当电机在恒转矩区和恒功率区之间切换时，定子电流直轴分量参考值id^*由基于加权函数的平滑切换算法得到；将定子电流直轴分量参考值id^*减去定子电流直轴分量id得到定子电流直轴分量误差值，将定子电流交轴分量参考值iq^*减去定子电流交轴分量iq得到定子电流交轴分量误差值；定子电流直轴分量误差值和定子电流交轴分量误差值分别经过pi控制器作用得到定子电压直轴分量参考值ud^*和定子电压交轴分量参考值uq^*，再经过反park变换得到定子电压α轴分量参考值uα^*和定子电压β轴分量参考值uβ^*。其中，

(1)所述的在电流前馈环节，通过mtpa算法计算出电机在恒转矩区运行时定子电流直轴分量计算值id1^*的计算式如下：

式中，ld、lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψf为永磁体磁链，iq^*为定子电流交轴分量参考值；

(2)所述的在电流前馈环节，通过弱磁算法计算出电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量计算值id2^*的计算式如下：

式中，ld、lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψf为永磁体磁链，iq^*为定子电流交轴分量参考值，udc为逆变器直流母线电压值，ωr为机械转速。

(3)所述的电压反馈环节包括：

(3.1)将逆变器最大输出电压值usmax与电机输出电压幅值u做差得到电压差值e，并对电压差值e求微分得到电压差值变化率δe；所述电压差值e的数学表达式如下：

式中，usmax为逆变器最大输出电压值，u为电机输出电压幅值，udc为逆变器直流母线电压值，ud^*、uq^*分别为定子电压直轴分量参考值、定子电压交轴分量参考值。

(3.2)根据电压差值e和电压差值变化率δe，利用模糊控制器，得到定子电流直轴分量补偿值δid2^*；所述的模糊控制器为两输入-单输出模糊控制器，输入为电压差值e和电压差值变化率δe，输出为定子电流直轴分量补偿值δid2。所设计的隶属度函数包括：

所述电压差值e的隶属度函数的表达式如下：

式中，电压差值e分为小、中、大三个等级，ple(x)、pme(x)和phe(x)是电压差值e为小、中、大时对应的输入隶属度函数；

所述电压差值变化率δe的隶属度函数的表达式如下：

式中，电压差值变化率δe分为小、中、大三个等级，plδe(y)、pmδe(y)和phδe(y)是电压差值e为小、中、大时对应的输入隶属度函数；

所述定子电流直轴分量补偿值id2^*的隶属度函数的表达式如下：

式中，定子电流直轴分量补偿值id2^*分为小、中、大三个等级，pli(z)、pmi(z)和phi(z)是电压差值e为小、中、大时对应的输出隶属度函数。

所述模糊控制器的模糊规则如下：

(3.2.1)如果电压差值e为ple(x)且电压差值变化率δe为plδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pli(z)；

(3.2.2)如果电压差值e为ple(x)且电压差值变化率δe为pmδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pli(z)；

(3.2.3)如果电压差值e为ple(x)且电压差值变化率δe为phδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pmi(z)；

(3.2.4)如果电压差值e为pme(x)且电压差值变化率δe为plδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pli(z)；

(3.2.5)如果电压差值e为pme(x)且电压差值变化率δe为pmδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pmi(z)；

(3.2.6)如果电压差值e为pme(x)且电压差值变化率δe为phδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pmi(z)；

(3.2.7)如果电压差值e为phe(x)且电压差值变化率δe为plδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为pmi(z)；

(3.2.8)如果电压差值e为phe(x)且电压差值变化率δe为pmδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为phi(z)；

(3.2.9)如果电压差值e为phe(x)且电压差值变化率δe为phδe(y)，则定子电流直轴分量补偿值id2^*为phi(z)。

电压差值e和电压差值变化率δe的隶属度函数分别如图2、图3所示，定子电流直轴分量补偿值δid2^*隶属度函数如图4所示。模糊规则如表1所示。

表1δid2^*模糊规则表

表1中，e为电压差值，即逆变器最大输出电压值usmax与电机输出电压幅值u的差值，δe为电压差值变化率，即电压差值的微分量，pl表示变量为小值，pm表示变量为中值，ph表示变量为大值。

利用重心法解模糊对模糊量进行清晰化处理，解模糊公式如下：

式中，u为经过解模糊得到的清晰量，uj为各组元素的权重，a(uj)为uj处的隶属度。

(4)所述的定子电流直轴分量参考值id^*由基于加权函数的平滑切换算法得到，如图5所示，采用如下计算式：

式中，id^*为定子电流直轴分量参考值，id1^*为电机在恒转矩区运行时定子电流直轴分量计算值，id3^*为电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量最终值，k和1-k分别为电机在恒转矩区运行时定子电流直轴分量计算值的系数和电机在恒功率区运行时定子电流直轴分量最终值的系数。

(5)所述的反park逆变换(两相旋转坐标变换成两相静止坐标)矩阵c2r/2s为

式中，θ为永磁同步电机转子位置角。

3)利用步骤1)得到的转子位置角θ和步骤2)得到的定子电压α轴分量参考值uα^*和定子电压β轴分量参考值uβ^*，采用空间矢量脉宽调制(svpwm)方法得到6路pwm脉冲触发信号，控制电压源型逆变器工作，从而驱动电机旋转。