基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法

本发明属于电机控制。

背景技术：

1、在基于电池供电的变频调速的电驱动系统中，合理的开关频率是保证控制性能和增强续航能力的一项基本参数。但是，该参数通常是根据系统研发者的一般经验确定的，这往往导致驱动系统在满足性能要求下产生更高的系统损耗。同时，针对复杂多变的运行工况时，在保证系统运行性能的条件下，选择恒定的开关频率并不利于电池供电运行系统维持更长的续航时间。

技术实现思路

1、本发明是为了解决依靠经验确定开关频率的方法会导致电驱动系统损耗增加，并且在复杂多变的工况下，恒定的开关频率会导致电池供电运行系统续航能力差的问题，现提供基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法。

2、基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，包括以下步骤：

3、步骤一：建立电驱动系统所用功率开关器件的开关频率和电驱动系统的控制频率之间的数学关系：

4、fpwm＝k*fc，

5、其中，k为条件系数，fpwm为电驱动系统所用功率开关器件的开关频率，fc为电驱动系统的控制频率；

6、步骤二：利用开关频率范围和控制频率范围确定条件系数k的取值范围，在条件系数k的取值范围内使k取正整数，从而获得条件系数k的每个值k＝k1,k2,...,km，m为条件系数k的取值个数；

7、步骤三：分别计算每个条件系数对应的数字延时时间，所述数字延时时间为电驱动系统在低载波比运行条件下的数字延时时间，并建立基于该数字延时时间的电流环开环传递函数；

8、步骤四：在当前电驱动系统所驱动电机的转速和转矩需求工况下，以数字延时时间和电流环带宽作为筛选条件，在所有条件系数对应的电流环开环传递函数中筛选出符合筛选条件的电流环开环传递函数，并将每个符合筛选条件的电流环开环传递函数所对应的条件系数作为初选条件系数；

9、步骤五：基于电驱动系统在当前工况下的控制频率和步骤一所述数学关系分别计算每个初选条件系数对应的开关频率，并基于该开关频率计算电驱动系统所用功率开关器件的开关损耗；

10、步骤六：将电驱动系统所用功率开关器件的开通损耗分别与每个初选条件系数对应的开关损耗相加，获得每个初选条件系数对应的功率开关器件总损耗；

11、步骤七：基于被驱动电机在当前工况下每个初选条件系数对应的输入电功率和输出机械功率，计算每个初选条件系数对应的电机端损耗；

12、步骤八：将每个初选条件系数对应的功率开关器件总损耗与相同初选条件系数对应的电机端损耗相加，获得每个初选条件系数对应的整体损耗；

13、步骤九：选取整体损耗最小值所对应的初选条件系数作为最终条件系数，调整当前工况下电驱动系统所用功率开关器件的开关频率为所述最终条件系数对应的开关频率，使得电驱动系统效率得到优化。

14、进一步的，上述步骤二中，获得所述开关频率范围和控制频率范围的方法包括：

15、根据电驱动系统中控制器的执行时间确定电驱动系统的控制频率上限；

16、根据电驱动系统所用功率开关器件的类型以及所驱动的电路确定所述功率开关器件的最小开关时间，之后结合电驱动系统实际应用平台的散热能力确定所述功率开关器件的开关频率上限；

17、计算数字延时时间并根据当前工况的最低延时要求确定所述开关频率下限以及控制频率下限。

18、进一步的，上述电驱动系统中控制器的执行时间t总为：

19、t总＝t1+t2+...+tn，

20、其中，tn为控制器中第n个控制代码的执行时间，n为控制器中执行的控制代码总数；

21、则所述电驱动系统的控制频率上限表示为1/t总。

22、进一步的，利用双脉冲实验测试方法，根据电驱动系统所用功率开关器件的类型以及所驱动的电路确定所述功率开关器件的最小开关时间；

23、将功率开关器件的最小开关时间结合电驱动系统实际应用平台的散热能力，采用实际测试或查阅驱动手册的方式确定所述功率开关器件的开关频率上限。

24、进一步的，上述步骤三中，采用数字控制分析建模的方法计算所述数字延时时间。

25、进一步的，第m个条件系数km对应的电流环开环传递函数goi_m表达式为：

26、

27、其中，kp和ki分别为电驱动系统的比例增益和积分增益，且有rs/ls＝ki/kp，s为拉普拉斯算子，td_m为km对应的数字延时时间，m＝1,2,...,m，rs为电驱动系统所驱动电机的电阻，ls为电驱动系统所驱动电机的电感。

28、进一步的，第m个条件系数km对应的电驱动系统所用功率开关器件的开关损耗psw_m：

29、psw_m＝fpwm_m(eon+eoff)，

30、其中，fpwm_m为第m个条件系数km对应的开关频率，m＝1,2,...,m，eon和eoff分别为电驱动系统所用功率开关器件的开通损耗和关断损耗。

31、进一步的，第m个条件系数km对应的功率开关器件总损耗pm：

32、pm＝pcond+psw_m，

33、其中，pcond为电驱动系统所用功率开关器件的开通损耗。

34、进一步的，电驱动系统所用功率开关器件的开通损耗pcond：

35、

36、其中，icp为正弦导通电流的峰值，vce(sat)为饱和压降，d为调制深度，为输出电压和电流之间的相位角。

37、进一步的，上述步骤七中，所述电机端损耗为：

38、p电机(km)＝pin(km)-pout(km)，

39、其中，p电机(km)为第m个条件系数km对应的电机端损耗，pin(km)和pout(km)分别为被驱动电机在当前工况下第m个条件系数km对应的输入电功率和输出机械功率，m＝1,2,...,m。

40、本发明针对电池供电的变频调速的电驱动系统中开关频率固定且往往依赖经验，选择任意的问题，提出了一种由mcu实现的动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，该方法给出了实际工况所对应的开关频率最优选择，能够实现电池供电运行系统维持更长的续航时间。

技术特征：

1.基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，步骤二中，获得所述开关频率范围和控制频率范围的方法包括：

3.根据权利要求2所述的基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，所述电驱动系统中控制器的执行时间t总为：

4.根据权利要求2或3所述的基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，利用双脉冲实验测试方法，根据电驱动系统所用功率开关器件的类型以及所驱动的电路确定所述功率开关器件的最小开关时间；

5.根据权利要求1或2所述的基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，步骤三中，采用数字控制分析建模的方法计算所述数字延时时间。

6.根据权利要求5所述的基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，第m个条件系数km对应的电流环开环传递函数goi_m表达式为：

7.根据权利要求1或2所述的基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，第m个条件系数km对应的电驱动系统所用功率开关器件的开关损耗psw_m：

8.根据权利要求7所述的基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，第m个条件系数km对应的功率开关器件总损耗pm：

9.根据权利要求8所述的基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，电驱动系统所用功率开关器件的开通损耗pcond：

10.根据权利要求1或2所述的基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，其特征在于，步骤七中，所述电机端损耗为：

技术总结
基于动态调整开关频率的电驱动系统效率优化方法，涉及电机控制技术领域。本发明是为了解决依靠经验确定开关频率的方法会导致电驱动系统损耗增加，并且在复杂多变的工况下，恒定的开关频率会导致电池供电运行系统续航能力差的问题。本发明建立开关频率和控制频率之间的数学关系，并利用二者的范围确定条件系数；在需求工况下筛选出符合条件的电流环开环传递函数，并将其对应的条件系数作为初选条件系数；分别计算每个初选条件系数对应的开关损耗、功率开关器件总损耗和电机端损耗，进而获得每个初选条件系数对应的整体损耗；调整当前工况下开关频率为取整体损耗最小值所对应的初选条件系数对应的开关频率，使得电驱动系统效率得到优化。

技术研发人员：杨贵杰,刘校睿,黄钰淇,杨卓锟,徐鑫妙
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22