一种电机控制器载频动态优化方法及电机控制器与流程

本发明涉及电力电子与电力传动领域，尤其是涉及一种电机控制器载频动态优化方法及电机控制器。

背景技术：

日本以及欧美的发达国家由于发展电动汽车起步时间早，他们在电机控制器的研究和发展上花了更多的精力和时间。很多汽车电子产品产商，如德国大陆集团、博世集团等公司也开始了电机控制器研发。部分汽车零部件或者汽车开发商蔚来、德国fev发动技术有限公司、里卡多等，在电动汽车领域内的地位也不可忽视。由于欧美等发达国家发展电动汽车起步时间早，致使他们有着十分丰富的电动汽车开发经验，并且他们的控制策略具有很高的系统性，在控制器的效率控制上也十分超群。并且他们的汽车制造商和一些汽车零件生产商，甚至是一些电子器件提供商一同推出了汽车开放系统结构，为之后的开发环境和电子控制单元的使用提供了更加简捷的方式，让控制器的研发更趋于标注化。

近年来就发达国家而言，日本的电动汽车的制造和研究均采用永磁同步电机控制器，而中国的大部分电动汽车开发商也是采用永磁同步电机控制器并且采用配套的控制器，其电机控制器控制的功率可以达到130千瓦左右，具有很大的恒功率运范围，转速也能达到额定值的4.7倍。而相对于日本而言，欧美的控制技术和控制策略也十分成熟，但是他们大部分采用异步电机控制器作为直接动力来源，比较出名的就是美国的特斯拉公司，他们的电动车均采用异步电机控制器，并且其控制器性能也十分出色。

电机控制器中包含逆变器，逆变器中包含igbt(绝缘栅双极型晶体管)，igbt的功率损耗与载波频率有关，且随载波频率的提高、功率损耗增大，这样一则使效率下降，二则是功率模块发热增加，对运行是不利的，当然逆变器的工作电压越高，功率损耗亦加大。载波频率越大，逆变器的损耗越大，输出功率越小。如果环境温度高，逆变桥上下两个逆变管在交替导通过程中的死区将变小，严重时可导致桥臂短路而损坏逆变器。载波频率还会影响输出总谐波畸变量，影响电机噪声。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电机控制器载频动态优化方法及电机控制器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电机控制器载频动态优化方法，该方法包括以下步骤：

步骤s1：建立目标函数与电机转速、转矩和电机控制器载频有关，约束条件与电机控制器载频和采样频率有关的电机控制器载频动态优化模型；

步骤s2：利用模糊逻辑方法求解电机控制器载频动态优化模型得到电机控制器动态优化载频。

求解所述的步骤s1目标函数包括以下步骤：

步骤s11：根据电机参数和逆变器损耗得到系统转换效率；

步骤s12：根据扭矩公式和系统转换效率得到与电机转速、转矩和电机控制器载频有关的目标函数。

所述的系统转换效率为：

η＝p电机输出/(p电机输出+p电机损耗+pigbt)

其中，η是系统转换效率，pigbt为逆变器损耗，p电机损耗为包括铁耗和铜耗的电机控制器损耗。

所述的pigbt为：

pigbt＝kfc

其中，k为常数，fc为载波频率。

所述的目标函数为：

η(fc)＝(t·n)/(t·n+9550·(pigbt+p电机损耗))

其中，t为电机扭矩，n为电机转速。

所述的约束条件为：

fs＝3kfc

fmin≤fc≤fmax

其中，k为整数，fc为载波频率，fs为采样频率，fmin和fmax为电机控制器极限工作频率。

所述的模糊逻辑方法为mamdani模糊推理方法。

所述的模糊逻辑方法采用重心法求解。

一种电机控制器，利用所述的电机控制器载频动态优化方法进行载频动态控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)电机控制器载频动态优化模型，可以在保证谐波失真率的情况下动态改变载波频率，减小电机控制器的损耗。

(2)可以根据电动汽车的运行工况，即通过检测电动汽车转速与转矩的变化，得到实时动态载频。

(3)通过模糊逻辑方法计算动态载频，由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，且鲁棒性强。

(4)模糊逻辑方法采用重心法求解，计算速度快，能很快找到最优位置。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例将建立电机控制器载频动态优化模型，在thd(谐波失真)满足要求的情况下，通过理论计算对模型进行最优化，使得系统随电机输出功率、载波频率变化的效率最优，从而得到动态载波优化频率。使用动态载频技术，尤其是在低转速，对载频要求不那么高的时候，调整载频可以有效降低电机控制器的损耗，提高电机控制器的效率，初步预计每100公里可以提高1.5公里左右的续航里程。

(1)电机控制器载频动态优化模型

对系统的效率模型进行优化，并且会构造出一个电机控制器载频动态优化模型。

1.1系统效率模型建立

将电机参数与逆变器看做一个整体系统考虑。得到系统的能源转换效率：

η＝p电机输出/(p电机输出+p电机损耗+pigbt)(1-1)

式中：其中，η是系统转换效率，pigbt为逆变器损耗，p电机损耗为包括铁耗和铜耗的电机损耗。

pigbt与载波频率有关：

pigbt＝kfc

其中，fc为载波频率。

本质上η是关于载波频率fc的函数。

又由扭矩公式：

t＝9550p/n(1-2)

其中t为电机扭矩，n为电机转速，p为电机输出功率。

将式(1-2)带入(1-1)可得与电机转速、转矩以及载波频率有关的目标函数：

η(fc)＝(t·n)/(t·n+9550·(pigbt+p电机损耗))(1-3)

1.2约束条件

1)载波频率不仅会影响输出的效率，还会影响总谐波失真率。因此，优化目标函数的同时我们还得对总谐波失真率进行优化。接下来对双极性svpwm(空间矢量脉宽调制)进行建模：

设定thd约束条件，即

fs＝3kfc(1-4)

fs为fc的3的整数倍时谐波成分最小。

2)开关器件还对载波频率有上下限要求，即

fmin≤fc≤fmax(1-5)

其中，k为整数，fs为采样频率，fmin和fmax为电机控制器极限工作频率。

1.3优化算法

对电机控制器载频动态优化模型分析可以得出，总谐波失真率与载波频率fc呈现负相关关系，即载波频率越大，谐波含量反而越小。

定义变量：模糊逻辑控制器包含二个输入变量和一个输出变量。输入包括电机转矩和转速，输出为载波频率。合成推理算法采用mamdani推理，三个前提条件取最小化因子，结论部分取最大化因子，解模糊采用重心法(coa)。输入输出的论域为t＝{lemege}；n＝{lemege}；fsw＝{pslemege}。输出的载波频率成员函数正小(ps，positivesmall)，小(le，little),中(me，middle),大(ge，great)。

表1为模糊规则表：

表1控制规则表

现有的技术基本上是采用矢量控制和直接转矩控制，本质是改变pwm的调制波。而本实施例是针对电动汽车的运行情况，采用连续调制，改变pwm的载波，技术的出发点是降低电机控制器损耗，在一定的约束条件下谐波也满足要求。

本实施例根据电动汽车运行工况情况，采用模糊控制使载频连续优化，即采用连续调制，动态改变载波频率减小电机控制器损耗。在大转矩，低转速下降低载波频率，可以使电机控制器损耗降低。

本实施例可以应用在电动汽车产业上，也能够应用在负载变化较大的运动控制场合。