CN103490688B - 用于控制内置式永磁同步电动机的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于控制内置式永磁同步电动机的方法，其在弱磁通区域内的电动机扭矩控制中使用从调制电压比例控制器（MVSC）控制模式输出的命令电压所述方法包括：由控制器使用基于磁通量的映射数据单元来产生电流命令所述基于磁通量的映射数据单元以扭矩命令和电动机速度/电池输出电压作为输入；以及由控制器在同步电动机的恒定扭矩区域中切换到电流矢量控制（CVC）控制模式作为电流控制模式，或者在同步电动机的弱磁通区域中切换到MVSC控制模式作为电压相位控制模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制永磁同步电动机的***和方法，并且更特别地涉及一种控制永磁同步电动机的***和方法，其能够在驱动用于混合动力车的永磁同步电动机时，使从电池通过电压相位控制而产生的电压在弱磁通区域内的利用率最大化、并通过扭矩补偿器实现扭矩误差的补偿。
背景技术
通常，内置式永磁同步电动机（IPMSM）是永磁***于转子铁芯内的一类同步电动机。由于极好的高速耐久性和高速操控性，IPMSM常常被用于工业用途或者被用在混合电动车中。
例如，图6示出图解用于IPMSM的现有控制方法的框图。用于IPMSM 10的控制装置向PWM逆变器提供最终的磁通轴（D轴）命令电压和最终的旋转力轴（Q轴）命令电压并且包括电流命令发生器12、用于控制电流的电流控制器14、光调制器（未示出）和反馈控制器16。
电流命令发生器12基于对命令旋转力Te*和弱磁通进行控制的结果的最大磁通量|λ|max，来产生磁通轴（D轴）命令电流和旋转力轴（Q轴）命令电流
电流控制器14基于来自电流命令发生器12的磁通轴（D轴）命令电流和旋转力轴（Q轴）命令电流来产生基本磁通轴（D轴）命令电压和基本旋转力轴（Q轴）命令电压
此外，反馈控制器16执行基于PI电流控制的弱磁通控制以便控制永磁同步电动机10中的磁通量，并且产生与D轴命令电压和Q轴命令电压成比例的最大磁通量扣除。在这种情况下，当D轴命令电压和Q轴命令电压从电流控制器14被反馈回来时，反馈控制器16的平方均值发生器16a输出由等式1表示的输出值。
[等式1]
反馈控制器16的减法器16b把由等式1表示的输出值从最大组合电压中减去，其中Vdc是施加到PWM逆变器18的直流链电压，并且反馈控制器16输出相减后的输出电压作为永磁同步电动机的转子角速度
图7示出在永磁同步电动机的基于PI电流控制的弱磁通控制期间的电压的最大化利用。更具体地，附图标记V1至V6表示D轴施加电压和Q轴施加电压的矢量和所表示的电压，内切于六边形区域的圆形区域表示能够进行线性电压合成的区域，并且表示圆形区域内可获得的最大线性合成电压。此外，六边形区域表示可通过空间矢量脉宽调制（PWM）进行电压合成的区域，并且六边形区域内除圆形区域以外的阴影区域表示非线性电压调制区域。
在现有的永磁同步电动机中，当在作为线性电压区域的电压限制圆（圆形区域）内产生电压并执行扭矩控制时，即当在能够进行线性电压合成以便进行稳定电流控制的最大合成电压内产生电压并执行扭矩控制时，存在如下所述的若干问题。
首先，由于如图2所示把内切于六边形的圆内的区域中的电压用作弱磁通参考电压，所以电压利用率比使用六边形区域中的电压的情况降低了大约10%。其次，由于在电压调制期间当最大合成电压高于电压限制圆（圆形内的区域）中的最大电压并偏离六边形的内切圆（圆形区域）时，逆变器不能产生精确的电压，所以输出电压（最大合成电压）的线性度被破坏并且不稳定的扭矩控制会出现。因此，难以在高速操作电动机的同时稳定地控制同步电动机。
发明内容
因此，做出本发明来解决现有技术中出现的上述问题，并且本发明提供了一种控制永磁同步电动机的***和方法，使得通过利用基于磁通量的映射数据的电压相位控制来使用最大电压附近的电压，来使电压利用率能够在弱磁通区域中被最大化，所述基于磁通量的映射数据接收扭矩命令和电动机速度/电池输出电压作为输入。此外，当驱动安装在混合动力车和电动车中的永磁同步电动机时，当电动机常数在弱磁通中被环境参数改变时，扭矩误差可以通过使用扭矩补偿滤波器而得到补偿。
根据本发明的一个方面，提供了一种控制永磁同步电动机的***和方法，其在弱磁通区域内的电动机扭矩控制中使用从调制电压比例控制器（MVSC）控制模式输出的命令电压更具体地，使用基于磁通量的映射数据单元来产生电流命令所述基于磁通量的映射数据单元以扭矩命令和电动机速度/电池输出电压作为输入。在同步电动机的恒定扭矩区域中切换到电流矢量控制模式作为电流控制模式，或者在同步电动机的弱磁通区域中切换到MVSC控制模式作为电压相位控制模式。
优选地，所述***和方法还包括：由扭矩误差补偿滤波器接收从IPMSM输出的电流和从电压发生器输出的电压以输出扭矩误差补偿电压；以及将扭矩补偿电压加到从逆模型映射（inverse model map）输出的电压上，使得逆模型映射的扭矩误差以电压的形式得到补偿，如以下等式所示：
其中是d-q轴电感变化，是磁链通量变化，ωr是转子角速度，并且^是变量。
有利地，即使在同步电动机的弱磁通区域中也可以使用最大电压，电动机的铜耗能够得到减小，从而导致即使在同步电动机的弱磁通区域中，也能提高混合动力车和电动车的燃料比和最大输出。
附图说明
根据结合附图给出的以下详细说明，本发明的上述及其它目的、特征和优点将更加明了，在附图中：
图1是示出根据本发明示例性实施例的永磁同步电动机的控制方法的框图；
图2是示出在根据本发明实施例的永磁同步电动机的控制方法中对扭矩误差的补偿的框图；
图3是示出在根据本发明实施例的永磁同步电动机的控制方法中提高电压利用率的技术和补偿扭矩误差的技术的框图；
图4和5是示出根据本发明实施例的控制永磁同步电动机的方法的试验的波形图；并且
图6和7是示出控制内置式永磁同步电动机的现有方法的示意图。
具体实施方式
现在将在下文中详细参考本发明的各种实施例，其实例在附图中示出并在下面说明。虽然将结合示例性实施例说明本发明，但是应理解的是，本说明并非意在将本发明限于那些示例性实施例。相反，本发明意在不仅覆盖示例性实施例，而且覆盖可包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替代形式、改型、等效形式和其它实施例。
应理解的是，本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般的机动车辆（诸如包括运动型多功能车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客车）、包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车以及其它代用燃料车（例如从除石油以外的资源中取得的燃料）。如本文中所述，混合动力车是具有两个或更多个动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。
此外，本发明的控制逻辑可以实施为包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的非短暂计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、压缩盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可以分布在网络连接的计算机***中，使得计算机可读介质以分布式方式（例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网（CAN））被存储和执行。
如图1和图3所示，使用基于磁通量的映射数据单元（magnetic flux-based mapdata unit）100来产生电流命令Idq*，所述基于磁通量的映射数据单元100以扭矩命令Te*和电动机速度/电池输出电压作为输入。然后，基于同步电动机的恒定扭矩区域和弱磁通区域，将模式切换到电流控制模式（模式CC）和VPC控制模式（模式VPC）。
具体地，在同步电动机的恒定扭矩区域中将电流控制模式切换到电流矢量控制模式102（在下文中被称为CVC控制模式），并且在弱磁通区域中将电压相位控制模式切换到调制电压比例控制器（modulating voltage scale controller）模式104（在下文中被称为MVSC控制模式）。
在这种情况下，在MVSC控制模式中，逆模型映射106使用映射数据单元100所产生的电流命令来产生电压命令Vdq*，并且将所产生的电压命令乘以某个增益KH（>2），以便电压发生器108产生限制在六边形内的电压。
本发明要构建一种控制器，其使用混合动力车的最大电压，以便获得比广操作区域（broad operative area）更宽的功率密度，使得CVC型最大扭矩每安培（MTPA）控制在基准速度条件下实现最小铜耗，并且使得在同步电动机的弱磁通区域中通过MVSC控制模式进行电动机控制。
也就是说，本发明要提供一种在使用内置式永磁同步电动机的混合动力车和电动车中使用的电动机控制算法，使得：首先，通过利用基于磁通量的映射数据并利用MVSC控制模式作为电压相位控制，来使用基本上处于最大电压附近的电压，所述基于磁通量的映射数据在弱磁通区域驱动期间以扭矩命令和电动机速度/电池输出电压作为输入；其次，当在弱磁通区域中电动机常数被温度或其他因素改变时，可以使用扭矩误差补偿滤波器来补偿扭矩误差。
图1和3是示出根据本发明示例性实施例的控制永磁同步电动机的***和方法的框图，并且示出对内置式永磁同步电动机（在下文中称为IPMSM）使用复合型最大电压的实例。
首先，将命令扭矩和逆命令通量（inverse command flux）输入到作为为弱磁通区域和MTPA构建的查找表的映射数据单元100中，并且映射数据单元100产生电流命令Idq*。在这种情况下，在CVC控制模式中，映射数据单元100在CVC的线性电压限制上执行映射，并且反馈电流Idq被比例积分（PI）电流调节器控制以跟随命令电流矢量然后，在电压限制内把通过电流控制产生的命令电压矢量发送到IPMSM。
相反，在MVSC控制模式中，使用基于同步参考系的电压模型（即，逆模型映射106）来计算命令电压并且其等式被表示为以下等式2和3。
[等式2]
其中Ldq是d-q轴电感，λpm是永磁体（PM）的磁链通量（linkage flux），ωr是转子角速度，“^”是变量。此外，命令电压总是处于线性电压限制的范围内，这是因为命令电压是根据基于CVC的命令电流计算得到的。
为了提高在同步电动机的弱磁通区域中的电压利用率，当扭矩不连续时将命令电压乘以比例增益（scalar gain）KH，使得命令电压扩展到内切于六边形的圆形区域之外，并且通过使用最小幅度误差过调制而被调节到六边形电压限制，以便被输出为命令电压
当CVC被去激活时，把在六边形区域中产生的命令电压用于弱磁通区域中的电动机扭矩控制，并且可以在弱磁通区域中实现最大电压利用和电压选择。
参考图7，由于内切于六边形的圆形区域是能够进行线性电压合成的区域并且表示圆形区域中可以线性地合成电压的最大合成电压，所以根据现有的控制方法，与六边形区域中的电压相比，电压利用率降低了大约10%，这是因为使用了内切于六边形区域的圆形区域中的弱磁参考电压。
相反，为了提高同步电动机的弱磁通区域中的电压利用率，由于在弱磁通区域中将控制模式切换到MVSC控制模式，使得命令电压扩展到内切于六边形区域的圆形区域之外、并且通过使用最小幅度误差过调制而被调节到六边形电压限制以便被输出为命令电压所以在弱磁通区域中可获得最大电压利用率。
特别地，在MVSC控制模式中不执行精确的扭矩控制，这是因为存在着诸如由于高饱和湿度和温度而引起的PM磁通变化之类的因素，以及因为还应当考虑高速下定子的电阻误差对扭矩控制的影响。为此，基于关于电动机电压、电动机电流、dc链电压、转子速度和实际扭矩的通常状态测量值建立查找表，并且在执行MVSC控制模式时为精确扭矩控制建立补偿模型。
例如，如图2和3所示，构建了基于电压变量的滤波器、即用于补偿扭矩误差的扭矩误差补偿滤波器120（本申请的发明人称之为状态滤波器）。具体地，IPMSM 110的输出侧和电压发生器109的输出侧被连接到扭矩误差补偿滤波器120的输入侧，并且误差补偿滤波器120的输出侧被连接到MVSC控制模式104的逆模型映射106。
如等式3所示，扭矩误差补偿滤波器120输出一电压，该电压包含电动机高速运转时的d-q轴电感变化和PM的磁链通量
[等式3]
其中是d-q轴电感变化，是磁链通量变化，ωr是转子的角速度，“^”是变量。
把输出的d-q轴电感变化和磁链通量变化加到从逆模型映射106输出的电压上，使得逆模型映射106的扭矩误差以电压的形式得到补偿。
图5示出本发明的CVC控制模式和MVSC控制模式之间的性能测试的结果，从上而下，各波形分别是转子速度、d轴电流以及扭矩传感器测量的扭矩。
在测试中，d轴电流在CVC控制模式中逐渐下降以减少电动机磁链通量，并且在模式被切换时突然增大，这是因为定子电压在MVSC控制模式中被增大到六边形边界。在这种情况下，当控制模式被切换到MVSC控制模式和CVC控制模式时，扭矩的变化不会发生，并且这意味着即使在电动机参数被改变的情况下，扭矩也可通过扭矩误差补偿滤波器120的扭矩补偿而被控制成保持均一。
图6示出与本发明的说明性实施例相关的测试的结果，示出了通过将转子角速度从0改变到2200r/min而测量到的转子速度ωr、d轴电流、q轴电流、以及定子电流，其中（a）表示CVC控制模式并且（b）表示MVSC控制模式。
MVSC控制模式中的d轴电流的幅度很小，这是因为使用了最大电压，同时q轴电流与CVC控制模式中的基本相同，因此，定子电流在MVSC控制模式中比CVC控制模式中可以减少大约33%。这些结果意味着本发明的功率密度可以得到提高，而无需PI型电流控制器的积分器和诸如六级调制用的复合增益调节之类的控制，并且直流总线电压可以被最小化。
尽管已经参考本发明的某些示例性实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应理解的是，可以对其做出各种形式和细节上的变化，而不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围。
Claims (8)
1.一种控制永磁同步电动机的方法，其在弱磁通区域内的电动机扭矩控制中使用从调制电压比例控制器MVSC控制模式输出的命令电压所述方法包括：
由控制器使用基于磁通量的映射数据单元来产生电流命令所述基于磁通量的映射数据单元以扭矩命令和电动机速度/电池输出电压作为输入，其中ωr是转子的角速度，Vdc是施加到PWM逆变器的直流链电压；以及
由所述控制器在同步电动机的恒定扭矩区域中切换到电流矢量控制CVC控制模式作为电流控制模式，或者在所述同步电动机的弱磁通区域中切换到MVSC控制模式作为电压相位控制模式，
其中，所述MVSC控制模式包括：
通过逆模型映射来计算命令电压以及
将所述命令电压乘以比例增益(KH)，使得所述命令电压被调节到六边形电压限制内、并被输出为命令电压
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述CVC控制模式中，由电流调节器控制反馈电流Idq以跟随命令电流矢量并且通过电流控制而产生的命令电压矢量在电压限制内被发送到内置式永磁同步电动机IPMSM。
3.如权利要求1所述的方法，其中，
按照以下等式，通过所述逆模型映射来计算所述命令电压
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其中Ld是d轴电感，Lq是q轴电感，和分别是d轴和q轴的命令电流矢量，λpm是永磁体(PM)的磁链通量，ωr是转子的角速度，并且^是变量。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
由扭矩误差补偿滤波器接收从IPMSM输出的电流和从电压发生器输出的电压，以输出如以下等式所示的扭矩误差补偿电压
以及
将所述扭矩补偿电压加到从逆模型映射输出的电压上，使得所述逆模型映射的扭矩误差以电压的形式得到补偿，
其中是d轴电感变化，是q轴电感变化，id和iq分别是d轴和q轴的命令电流，是磁链通量变化，ωr是转子角速度，并且^是变量。
5.一种包含由控制器执行的程序命令的非短暂计算机可读介质，用于控制永磁同步电动机以在弱磁通区域内的电动机扭矩控制中使用从调制电压比例控制器MVSC控制模式输出的命令电压所述计算机可读介质包括：
使用基于磁通量的映射数据单元来产生电流命令的程序指令，所述基于磁通量的映射数据单元以扭矩命令和电动机速度/电池输出电压作为输入，其中ωr是转子的角速度，Vdc是施加到PWM逆变器的直流链电压；以及
在同步电动机的恒定扭矩区域中切换到电流矢量控制CVC控制模式作为电流控制模式，或者在所述同步电动机的弱磁通区域中切换到MVSC控制模式作为电压相位控制模式的程序指令，
其中，所述MVSC控制模式包括：
通过逆模型映射来计算命令电压以及
将所述命令电压乘以比例增益(KH)，使得所述命令电压被调节到六边形电压限制内、并被输出为命令电压
6.如权利要求5所述的非短暂计算机可读介质，其中，在所述CVC控制模式中，由电流调节器控制反馈电流Idq以跟随命令电流矢量并且通过电流控制而产生的命令电压矢量在电压限制内被发送到内置式永磁同步电动机IPMSM。
7.如权利要求5所述的非短暂计算机可读介质，其中，
按照以下等式，通过所述逆模型映射来计算所述命令电压
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</mrow>
其中Ld是d轴电感，Lq是q轴电感，和是分别d轴和q轴的命令电流矢量，λpm是永磁体(PM)的磁链通量，ωr是转子的角速度，并且^是变量。
8.如权利要求5所述的非短暂计算机可读介质，还包括：
利用从IPMSM输出的电流和从电压发生器输出的电压来输出如以下等式所示的扭矩误差补偿电压的程序指令
以及
将所述扭矩补偿电压加到从逆模型映射输出的电压上，使得所述逆模型映射的扭矩误差以电压的形式得到补偿的程序指令，
其中是d轴电感变化，是q轴电感变化，id和iq分别是d轴和q轴的命令电流，是磁链通量变化，ωr是转子角速度，并且^是变量。
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