一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机的弱磁扩速方法技术

本发明专利技术公开了一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机的弱磁扩速方法，属于电机控制技术领域，该方法具体包括：在基速以下，即非弱磁状态，电机运行在恒转矩控制模式下：速度环经PI控制器输出定子电流is，d‑q轴电流给定值id

A Method of Weak Field Speed Expansion for Embedded Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicle

The invention discloses a method of magnetic weakening speed expansion for embedded permanent magnet synchronous motor for electric vehicle, which belongs to the field of motor control technology. The method includes: under the base speed, i.e. non-magnetic weakening state, the motor operates in the constant torque control mode: the speed loop outputs stator current is through PI controller, and the given value ID of d_q axis current.

【技术实现步骤摘要】
一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机的弱磁扩速方法
本专利技术属于电动汽车用内嵌式永磁同步电机的控制
，特别涉及一种抑制深度弱磁区电流和转矩振荡的弱磁扩速方法。
技术介绍
在城市化和工业化发展加速的今天，日益严峻的能源短缺和环境污染成为制约我国可持续发展的突出问题，汽车作为人们日常生活中的主要出行方式，其产量与销量在不断提高；而传统汽车采用内燃机作为主动力，其能耗和碳排放量所占比重较大；新能源汽车采用电机作为牵引的主要动力，对实现全球可持续发展具有重要意义，也将是未来汽车行业的主要发展方向。电动汽车通过电机驱动来完成车辆行驶，电机驱动及控制技术作为电动汽车的核心对整车性能影响重大，因此成为国内外研究学者及电动汽车厂商的研究重点。随着永磁材料、电力电子技术、自动控制理论及数字信号处理技术的不断发展和完善，永磁同步电机(PMSM)以其高转矩密度、高功率密度、高效率等优点，广泛应用于电动汽车等电力传动领域。其中，内嵌式永磁同步电机(IPMSM)永磁体嵌在转子铁心内部，结构上增强了可靠性；同时其具有凸极效应，能充分利用磁阻转矩；还可以降低永磁体励磁磁通，减小永磁体的体积，既有利于弱磁运行，提高扩速范围，又可降低成本。因此，现在的电动汽车牵引电机一般采用的都是内嵌式永磁同步电机。优化控制策略对于高性能永磁同步电机驱动非常重要，但是传统的控制策略，包括id＝0控制和MTPA控制，只适用于基速以下的传统应用环境；在电动汽车等要求高转速运行的应用中，必须采用弱磁控制策略来实现永磁同步电机的基速以上恒功率运行。基于传统电压反馈闭环的负id补偿法的弱磁控制策略被广泛运用于永磁电机以实现宽调速范围运行。此方法在传统的速度、电流双闭环的基础上增加了一个电流调节器输出电压反馈控制环节；在电机未进入弱磁状态时，电压反馈环节不工作，速度环经PI控制器输出定子电流is，然后经MTPA算法得到d轴电流给定值id*和q轴电流给定值iq*，电流环调节器输出得到d轴和q轴的电压指令值ud、uq；在进入弱磁状态后，电压反馈环控制开始工作，它将极限电压值Ulim与d-q轴PI调节器输出的总电压矢量幅值的差值，经PI补偿器的到的输出值补偿至d轴电流，使d轴电流反向增加，即加大了弱磁磁场，从而实现了电机的弱磁控制。但此方法具有以下局限性：1)无法实现MTPV控制在深度弱磁区存在着以MTPV控制的弱磁Ⅱ区(即图1的BD段)。假设图1中转速为ω2，电流矢量位于点B；随着转速继续提升，由于电压极限椭圆的进一步缩小，电流矢量有效运行区域将向D点缩进，而弱磁补偿器将继续负向增大d轴电流，其工作点反而向C点靠近，此时实际电流无法跟踪电流给定值，电流环调节器达到饱和，电流容易失控，转矩输出能力也将下降；所以随着弱磁深度的加深，传统的负id补偿电压反馈弱磁控制无法实现弱磁Ⅱ区的MTPV控制。2)深度弱磁区电流、转矩振荡严重进一步分析1)中的问题不难发现，传统负id补偿电压反馈弱磁控制的问题还在于，深度弱磁区的稳定性较差。如图1所示，随着电机转速的增加，电压极限椭圆收缩，电流工作点沿圆弧继续移动至C点，使电流工作点处的切线斜率进一步增大。斜率越大，说明id的微小变化将导致iq的巨大变化；这相当于随着弱磁程度的加深以及电流工作点逼近C点，q轴电流环的增益将变得很大；这种巨大的增益加到控制系统中，会使系统的不稳定性增加，表现为电流和转矩振荡加强，进而导致两个电流调节器饱和。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机的弱磁扩速方法，该方法不依赖电机参数，并且能抑制电机在深度弱磁区域的电流和转矩振荡，提高系统稳定性。为解决本专利技术的技术问题，实现上述目的，所采用的技术方案为：一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机的弱磁扩速方法采用基于电压反馈的负iq补偿法，其特征在于，它包含以下步骤：步骤1：在基速以下，即进入弱磁状态之前，电机运行在恒转矩控制模式下：速度环经PI控制器输出定子电流is，d轴电流给定值id*和q轴电流给定值iq*根据MTPA算法计算得到，id*、iq*以及其实际反馈值id、iq进行闭环控制，输出得到d轴和q轴的电压指令值ud、uq；上述步骤1中经MTPA算法计算得到的d-q轴电流给定值id*和iq*，即图2所示的id0和iq-T由下式获得：式中的ψf为永磁体磁链，Ld、Lq分别是d、q轴的电感分量；步骤2：电压饱和判断：根据电流调节器输出电压的饱和程度来决定是否进入弱磁控制，由电流环PI控制器的输出电压指令值，根据公式得到总电压矢量幅值，将极限电压值Ulim减去us后，得到差值若Δu<0，说明电机开始进入弱磁阶段；所述步骤2中的极限电压Ulim是当直流母线电压Vdc不变时，由逆变器向电机所能提供的最大电压值；当采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)策略时，极限电压基速以下，电流调节器的输出电压幅值us≤Ulim，即Δu≥0时，电压反馈环节的PI补偿器不工作，其输出Δiq＝0；基速以上，电流调节器的输出电压幅值us>Ulim，即Δu<0时，电机进入弱磁状态，电压反馈环节的PI补偿器输出q轴弱磁电流补偿值Δiq<0；步骤3：电机进入弱磁状态后，电压反馈环节的PI补偿器输出值Δiq直接补偿到MTPA算法输出的iq-T上，补偿后为q轴给定电流iq*；d轴给定电流id*取自id0，id1，id2中的值，随着iq*的减小，id*经历了由id0到id1再到id2的切换，即电流矢量先从MTPA曲线切换到最大电流输出曲线上，进而切换到MTPV曲线上。所述步骤3具体如下：步骤3.1：开始进入弱磁控制时，电机运行在弱磁Ⅰ区；此时的q轴给定电流iq*由电压反馈环节的PI补偿器输出值Δiq补偿到MTPA算法输出的iq-T上组成；d轴给定电流id*由id0切换到id1，式中的极限电流Ilim为由逆变器向电机所能提供的最大电流值，此阶段电机运行在最大电流输出曲线上；步骤3.2：随着转速进一步的提升，电机将运行在弱磁Ⅱ区；此时的q轴给定电流iq*继续由电压反馈环节的PI补偿器输出值Δiq补偿到MTPA算法输出的iq-T上组成；而d轴给定电流id*则由id1切换到id2，id2由MTPV算法获得：此阶段电机将沿MTPV轨迹曲线运行，即电机在有限电压下的输出转矩和输出功率保持最大值。总结上述技术方案，本专利技术相较于现有技术，其优点在于：本专利技术所述的电动汽车用内嵌式永磁同步电机的弱磁扩速方法基于矢量控制系统，不依赖于电机参数，采用电压外环反馈进行弱磁控制，电流环的d轴和q轴调节器是相互解耦的，d轴电流调节器负责对电机转子上的永磁体的弱磁控制和速度响应，q轴电流调节器负责满足电流极限圆与电压极限椭圆的约束条件，以及电机转矩的输出能力；并且该方法还能有效抑制内嵌式永磁同步电机深度弱磁控制中的电流和转矩振荡，提高系统稳定性。附图说明图1为本专利技术电动汽车用内嵌式永磁同步电机d-q电流平面坐标系内的电压、电流约束图；图2为本专利技术电动汽车用内嵌式永磁同步电机矢量弱磁控制系统整体框图；图3为本专利技术电动汽车用内嵌式永磁同步电机在全速段的定子电流矢量运行轨迹图；图4为本专利技术的具体实施例中电机转速波形；图5为本专利技术的具体实施例中d、q轴电流波形。具体实施方式为了使本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机的弱磁扩速方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在基速以下，即非弱磁状态，电机运行在恒转矩控制模式下：速度环经PI控制器输出定子电流is，d轴电流给定值id

【技术特征摘要】
1.一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机的弱磁扩速方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在基速以下，即非弱磁状态，电机运行在恒转矩控制模式下：速度环经PI控制器输出定子电流is，d轴电流给定值id*和q轴电流给定值iq*根据MTPA算法计算得到，id*、iq*以及其实际反馈值id、iq进行闭环控制，输出得到d轴和q轴的电压指令值ud、uq；步骤2：电压饱和判断：根据电流调节器输出电压的饱和程度来决定是否进入弱磁控制，由电流环PI控制器的输出电压指令值，根据公式得到总电压矢量幅值，将极限电压值Ulim减去us后，得到差值若Δu<0，说明电机开始进入弱磁阶段；步骤3：电机进入弱磁状态后，电压反馈环节的PI补偿器输出值Δiq直接补偿到MTPA算法输出的iq-T上，补偿后为q轴给定电流iq*；d轴给定电流id*取自id0，id1，id2中的值，随着iq*的减小，id*经历了由id0到id1再到id2的切换，即电流矢量先从MTPA曲线切换到最大电流输出曲线上，进而切换到MTPV曲线上。2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机的弱磁扩速方法，其特征在于，步骤1中所述的经MTPA算法计算得到的d-q轴电流给定值id*和iq*，即id0和iq-T由下式获得：式中的ψf为永磁体磁链，Ld、Lq分别是d、q轴的电感分量；3.根据权利要求1所述的一种电动汽...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰志勇，沈凡享，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43