CN110445437A - 电动汽车的电机驱动器电压解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车安全控制技术领域，提出了一种电动汽车永磁同步电机电压解耦方法，旨在解决驱动电机交直轴电感强耦合导致的超调问题。该方法包括：获取同步电机的三相电流，并转换为d‑q坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q；获取同步电机的角速度ω，进行速度闭环PI调节，得到给定电流，对所述给定电流和反馈电流进行电流闭环PI调节，得到稳态电压；利用预先拟合的磁链‑电流表确定出同步电机的直轴磁链ψ_d和交轴磁链ψ_q；根据所述角速度ω和所述直轴磁链ψ_d与所述交轴磁链ψ_q确定出补偿电压；由稳态电压和补偿电压确定输出电压。本发明实现了对同步电机的控制过程的电压解耦，解决了由于同步电机强耦合造成的超调问题，保证了车辆安全。

Description

电动汽车的电机驱动器电压解耦方法

技术领域

本发明涉及电机驱动控制技术领域，特别涉及一种电动汽车的电机驱动器电压解耦方法。

背景技术

电动汽车的驱动电机一般采用内嵌式交流永磁同步电机，而内嵌式交流永磁同步电机***是一种非线性，多复杂，强耦合的***。永磁同步电机的交直轴电感是强耦合的，需要进行解耦控制。在某些特定工况，比如在高速阶段，急加速，急减速，挂空挡滑行发电的时候，永磁同步电机电磁强耦合，控制器电流环比例积分(Proportional Integral,PI)调节困难，很有可能出现超调现象，这时就会使得***变得不可控，轻者控制器失去动力，更严重出现控制器损坏或车辆失控导致的安全。

电流闭环回路中，反电动势分量仅仅只是通过PI调节器调节，并没有考虑到磁路交叉饱和导致电感Ld和Lq参数的变化，PI调节在电机的电磁分量突然发生变化，电流的转矩分量会产生一个瞬时误差，将导致转矩和转速波形的畸变，从而影响***的动态性能，没有有效地解决电压耦合因素。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决当前电动汽车电机驱动中，由于驱动电机的非线性，强耦合特性，使得在电机控制中，电流PI调节出现超调现象，使***变得不可控，轻者控制器失去动力，更严重的是可能出现控制器损坏或车辆失控导致的安全故障等问题。本发明采用以下技术方案以解决上述技术问题：

本申请提供了一种电动汽车电机驱动器的过流保护方法，该方法包括：获取上述永磁同步电机的三相电流，并通过Clarke变换和Park变换，转换为d-q坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q；获取上述永磁同步电机的角速度ω；将上述角速度ω进行速度闭环PI调节，得到给定直轴电流和给定交轴电流分别对上述定直轴电流和上述给定交轴电流进行电流闭环PI调节，得到直轴稳态电压和交轴稳态电压利用预先拟合的磁链-电流表确定出上述永磁同步电机的直轴磁链ψ_d和交轴磁链ψ_q；其中，上述磁链-电流表为上述直轴磁链ψ_d和上述交轴磁链ψ_q关于上述直轴电流i_d和上述交轴电流i_q的曲面关系表；根据上述角速度ω和上述直轴磁链ψ_d与上述交轴磁链ψ_q，确定出直轴补偿电压和交轴补偿电压；由上述直轴稳态电压和上述直轴补偿电压确定直轴输出电压U_d，由上述交轴稳态电压和交轴补偿电压，确定交轴输出电压U_q。

进一步地，上述“将上述角速度ω进行速度闭环PI调节，得到给定直轴电流和给定交轴电流”的步骤包括：对上述角速度和给定角速度进行PI调节，得到转速电压信息；根据上述转速电压信息和转矩指令，利用预设转矩-速度表，查表确定直轴电流和给定交轴电流其中，上述转矩指令为VCU控制器输出的指令信息，上述转矩-速度表为转速信息和转矩信息与电流之间的对应函数关系。

进一步地，上述“利用预先拟合的磁链-电流表确定出上述电机的直轴磁链ψ_d和交轴磁链ψ_q”步骤包括通过如下公式确定上述直轴磁链ψ_d和上述交轴磁链ψ_q：

其中，其中，L_d是直轴电感，L_q是交轴电感，i_d是上述永磁同步电机经过电流采样，clarke变换和park变换后的直轴电流，i_q是上述永磁同步电机经过电流采样，clarke变换和park变换后的交轴电流，ψ_f是永磁体磁链。

进一步地，上述“根据上述角速度ω和上述直轴磁链ψ_d与上述交轴磁链ψ_q，确定出直轴补偿电压和交轴补偿电压”的步骤包括通过如下公式确定上述直轴补偿电压U_dcom和交轴补偿电压U_qcom：

其中，ω_e＝n_pω，n_p为电机极对数，U_dcom为直轴补偿电压，U_qcom为交轴补偿电压。

进一步地，上述直轴稳态电压和上述交轴稳态电压分别通过如下公式确定：

其中，R_s为电机相电阻，为直轴稳态电压，为交轴稳态电压。

进一步地，上述直轴输出电压U_d和上述交轴输出电压U_q为：

其中，U_d为直轴输出电压，U_q为交轴输出电压。

本申请提供的电动汽车的永磁同步电机电压解耦方法，将所采集电机定子电流进行Clarke变换和Park变换，转换为d-q坐标系下的电流，对该电流进行电流闭环PI调节，确定出稳态电压；利用预先拟合的磁链-电流表确定出同步电机在该电流下的直轴磁链和交轴磁链，由直轴磁链和交轴磁链及角速度，确定出补偿电压；补偿电压和稳态电压作和运算后的控制电压为同步电机解耦后的控制电压。相较于传统的转速-电流双闭环控制***，增加了在当前电流、和直轴磁链、交轴磁链下的电压补偿，解决同步电机因交直轴电感强耦合造成的超调问题，保证了电动汽车的安全。

附图说明

图1是本申请的电动汽车的永磁同步电机电压解耦方法***示意图；

图2应用于本申请中电动汽车的永磁同步电机电压解耦方法的实施例的步骤示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参考图1，图1示出了应用于本申请的电动汽车电机驱动器电压解耦方法的控制***示意图。如图1所示，该***为速度闭环和电流闭环组成的双闭环控制***。连接到同步电机的旋转变压器作为速度传感器，实时检测电机的角速度ω，将该角速度ω作为反馈速度与给定角速度ω^*比较，作为速度闭环的输入量进行速度调节。连接到同步电机的电流传感器对同步电机进行电流采样，获得同步电机的定子电流i，上述定子电流i经过clarke变换、park变换后得到电机定子的直轴电流i_d和交轴电流i_q。上述直轴电流i_d和交轴电流i_q作为反馈电流与上述速度闭环的控制输出的给定直轴电流和给定交轴电流比较，作为电流闭环额输入量进行电流调节。在电流调节中，由于存在交直轴电感的强耦合，需要对驱动器输出电压进行解耦。电压解耦后通过park逆变换和空间矢量变换后输出PWM序列经驱动电路施加到功率器件管上为上述同步电机提供驱动电力。

上述clarke变换是将基于3轴、2维的定子静止坐标系的各物理量变换到2轴的定子静止坐标系中，即将原来三项绕组上的电压回路方程式简化成两项绕组上的电压回路方程式。上述park变换是基于上述clarke变换2轴的定子静止坐标系中定子电流矢量将其变换至随转子磁通同步旋转的2轴***中。

上述双闭环***中，速度变量经转速环PI调节后得到速度环的输出速度，上述输出速度与总线转矩命令作为输入，经预先设置的转矩-速度二维表查表后确定出电机的给定电流。上述电机给定电流可以为给定直轴电流和给定交轴电流。上述给定直轴电流和给定交轴电流作为电流闭环的输入，上述电流传感器采样电机的定子电流作为反馈，对该电流闭环的输入与反馈的变量进行电流PI调节，同时，根据上述电流传感器采样电机的定子电流进行电压补偿。将上述电流PI调节的输出和电压补偿的输出作为电机解耦后的电压，经驱动电路输出后控制功率器件管。

上述转矩-速度二维表是预先设置的一种转速和转矩与电流之间的对应关系表或对应函数。具体地，上述转矩-速度二维表的输入为转速信息和转矩信息，输出为电流信息。在车辆行驶或启停过程中，电动汽车需要一定的扭矩，相应的电机要有对应的转矩。电动汽车的VCU在会根据运行工况(车速、行车阻力等)输出转矩指令或转矩命令，指示电机驱动器输出对应的转矩。其中，VCU(Vehicle Control Unit，控制器为车辆控制单元)是电动汽车的核心控制部件，通过采集司机驾驶信号和车辆状态，通过CAN总线对网络信息进行管理、调度、分析和运算，针对不同车辆配置进行能源管理的控制器。

继续参考图2，图2示出了应用于本申请中电动汽车电机驱动器的电压解耦方法的实施例的步骤示意图。如图2所示，电动汽车电机驱动器的电压解耦方法包括如下步骤：

步骤1，获取永磁同步电机的三相电流，并通过Clark变换和Park变换，转换为d-q坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q。

在本实施例中，电动汽车的控制***的传感装置采集，对永磁同步电机的定子进行电流采样，获取永磁同步电机的三相电流。对所采集的永磁同步电机的三相电流进行Clarke变换和park变换，将静止坐标系下的三相电流转换为旋转坐标下的两相电流。即转换为d-q坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q。

步骤2，获取上述永磁同步电机的角速度ω。

在本实施例中，与上述永磁同步电机的定子连接到旋转变压器采样电机的转速，通过变换得到上述永磁同步电机的角速度ω。

步骤3，将上述角速度ω进行速度闭环PI调节，得到给定直轴电流和给定交轴电流分别对上述定直轴电流和上述给定交轴电流进行电流闭环PI调节，得到直轴稳态电压和交轴稳态电压

在本实施例中，上述角速度ω作为速递反馈与给定角速度ω^*做差比较，做差比较后的变量进行转速环PI调节，转速环PI调节输出的量作为调节速度。上述调节速度和总线转矩命令作为输入，利用预先设置好的转矩-速度表，查表得到电流，该电流为d-q坐标系下的直轴电流和交轴电流，确定该电流为给定直轴电流和给定交轴电流分别对上述给定直轴电流和上述给定交轴电流进行电流闭环PI调节，电流闭环PI调节器输出直轴稳态电压和交轴稳态电压具体地，上述电流闭环PI调节器的输入为：给定直轴电流和给定交轴电流分别与上述步骤1中反馈的直轴电流i_d和交轴电流i_q做差运算后，得到直轴电流变量和交轴电流的变量；电流闭环PI调节器的输出为：稳态电压和交轴稳态电压

进一步地，在本实施例中，上述“将上述角速度ω进行速度闭环PI调节，得到给定直轴电流和给定交轴电流”的步骤包括：对上述角速度ω和给定角速度进行PI调节，得到转速电压信息；根据上述转速电压信息和转矩指令，利用预设转矩-速度表，查表确定出给定直轴电流和给定交轴电流

进一步地，上述直轴稳态电压和上述交轴稳态电压分别通过如下公式确定：

上述公式(1)中，R_s为电机相电阻，是电机的固有参数；上述i_d是经过电流采样，clarke变换和park变换后的直轴电流，i_q是经过电流采样，clarke变换和park变换后的交轴电流。

步骤4，利用预先拟合的磁链-电流表确定出上述电机的直轴磁链ψ_d和交轴磁链ψ_q。

在本实施例中，基于上述步骤1中连接于上述永磁同步电机的传感装置采样电机定子电流，经Clarke变换和park变换后确定的d-q坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q，利用预先拟合的磁链-电流表确定出上述永磁同步电机的直轴磁链ψ_d和交轴磁链ψ_q。其中，上述磁链-电流表为上述直轴磁链ψ_d和上述交轴磁链ψ_q与上述直轴电流i_d和上述交轴电流i_q的曲面关系表。通过磁链-电流表中磁链与电流的曲面关系，查表确定出在当前的直轴电流i_d和交轴电流i_q时对应的直轴磁链ψ_d和上述交轴磁链ψ_q。

进一步地，在本实施例中，上述“利用预先拟合的磁链-电流表确定出上述电机的直轴磁链ψ_d和交轴磁链ψ_q”步骤包括通过如下公式确定上述直轴磁链ψ_d和上述交轴磁链ψ_q；

公式(2)中，L_d是直轴电感，L_q是交轴电感，是同步电机的固有参数；ψ_f是永磁体磁链，是是同步电机的固有参数；i_d是电机定子电流，经clarke变换和park变换后的直轴电流，i_q是电机定子电流，经clarke变换和park变换后的交轴电流。

步骤5，根据上述角速度ω和上述直轴磁链ψ_d与上述交轴磁链ψ_q，确定出直轴补偿电压和交轴补偿电压。

在本实施例中，利用角速度、磁链和电压之间的关系，可以由上述角速度ω和上述直轴磁链ψ_d确定出直轴补偿电压；由上述角速度ω和上述交轴磁链ψ_q，确定出交轴补偿电压。

进一步地，上述“根据上述角速度ω和上述直轴磁链ψ_d与上述交轴磁链ψ_q，确定出直轴补偿电压和交轴补偿电压”的步骤包括通过如下公式确定直轴补偿电压和交轴补偿电压：

其中，ω_e＝n_pω，n_p为电机极对数，U_dcom为直轴补偿电压，U_qcom为交轴补偿电压。

步骤6，由上述直轴稳态电压和上述直轴补偿电压确定直轴输出电压U_d，由上述交轴稳态电压和交轴补偿电压，确定交轴输出电压U_q。

在本实施例中，基于步骤3所确定的直轴稳态电压和交轴稳态电压及步骤5确定的直轴补偿电压和交轴补偿电压，可以确定出电机驱动器输出电压为稳态电压和补偿电压之和。具体为：直轴输出电压U_d为直轴稳态电压和直轴补偿电压之和；交轴输出电压U_q为直轴稳态电压和交轴补偿电压之和。

进一步地，通过如下公式确定上述直轴输出电压U_d和上述交轴输出电压：

在一些示例中，可以通过如下的方法预先拟合磁链-电流表：首先，获取车辆运行中多个电压和电流的对应数据，利用公式(4)可以确定出解耦后的电机驱动器输出电压的平均值，如公式(5)所示：

为直轴电压平均值，为直轴电流平均值，为交轴磁链平均值；为交轴电压平均值，为交轴电流平均值，为直轴磁链平均值。

然后，由上述公式(5)反解出交直轴磁链平均值，如公式(6)所示：

根据公式(5)以及采集的多组数据，测量出在不同d-q轴坐标系下的直轴电流、交轴电流组合下的ψ_d,ψ_q值，拟合出ψ_d和ψ_q关于i_d和i_q曲面关系如公式(7)所示：

与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

本申请提供的电动汽车电机驱动器的电压解耦方法，将电机定子电流通过变换得到电机的直轴电流和电机的交轴电流，根据电机的直轴电流和电机的交轴电流和电机固有的直轴电感、交轴电感、永磁体磁链确定电机的直轴补偿电压和交轴补偿电压，由电机的稳态电压和补偿电压确定出电机的输出电压。解决了由于电机铁芯的饱和以及涡流和磁滞导致电感强耦合，使得车辆控制***在某些特定条件下的超调问题。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电动汽车的永磁同步电机电压解耦方法，其特征在于，所述方法包括：

获取所述永磁同步电机的三相电流，并通过Clarke变换和Park变换，转换为d-q坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q；

获取所述永磁同步电机的角速度ω；

将所述角速度ω进行速度闭环PI调节，得到给定直轴电流和给定交轴电流分别对所述定直轴电流和所述给定交轴电流进行电流闭环PI调节，得到直轴稳态电压和交轴稳态电压

利用预先拟合的磁链-电流表确定出所述永磁同步电机的直轴磁链ψ_d和交轴磁链ψ_q；其中，所述磁链-电流表为所述直轴磁链ψ_d和所述交轴磁链ψ_q关于所述直轴电流i_d和所述交轴电流i_q的曲面关系表；

根据所述角速度ω和所述直轴磁链ψ_d与所述交轴磁链ψ_q，确定出直轴补偿电压和交轴补偿电压；

由所述直轴稳态电压和所述直轴补偿电压确定直轴输出电压U_d，由所述交轴稳态电压和交轴补偿电压，确定交轴输出电压U_q。

2.根据权利要求1所述的电动汽车的永磁同步电机电压解耦方法，其特征在于，所述“将所述角速度ω进行速度闭环PI调节，得到给定直轴电流和给定交轴电流”的步骤包括：

对所述角速度和给定角速度进行PI调节，得到转速电压信息；

根据所述转速电压信息和转矩指令，利用预设转矩-速度表，查表确定直轴电流和给定交轴电流其中，所述转矩指令为VCU控制器输出的指令信息，所述转矩-速度表为转速信息和转矩信息与电流之间的对应函数关系。

3.根据权利要求1所述的电动汽车的永磁同步电机电压解耦方法，其特征在于，所述“利用预先拟合的磁链-电流表确定出所述电机的直轴磁链ψ_d和交轴磁链ψ_q”步骤包括通过如下公式确定所述直轴磁链ψ_d和所述交轴磁链ψ_q：

其中，L_d是直轴电感，L_q是交轴电感，i_d是所述永磁同步电机经过电流采样，clarke变换和park变换后的直轴电流，i_q是所述永磁同步电机经过电流采样，clarke变换和park变换后的交轴电流，ψ_f是永磁体磁链。

4.根据权利要求3所述的电动汽车的永磁同步电机电压解耦方法，其特征在于，所述“根据所述角速度ω和所述直轴磁链ψ_d与所述交轴磁链ψ_q，确定出直轴补偿电压和交轴补偿电压”的步骤包括通过如下公式确定所述直轴补偿电压U_dcom和交轴补偿电压U_qcom：

其中，ω_e＝n_pω，n_p为电机极对数。

5.根据权利要求4所述的电动汽车的永磁同步电机电压解耦方法，其特征在于，所述直轴稳态电压和所述交轴稳态电压分别通过如下公式确定：

其中，R_s为电机相电阻。

6.根据权利要求5所述的电动汽车的永磁同步电机电压解耦方法，其特征在于，所述直轴输出电压U_d和所述交轴输出电压U_q为：

其中，R_s为电机相电阻。