基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统及方法，采集永磁同步电机的转速ω、位置角θ，将位置角θ分别输入到αβ/dq坐标转换模块和dq/αβ坐标转换模块；计算转速ω和给定的电机转速值ωr的差值Δω；基于Δω和TL，采用能量最优算法计算得到最小损耗平衡点的电流值；采集永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic，将其通过abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块得到d‑q坐标系下的实际电流id和iq；利用Hamilton模型计算得到控制电压值ud和uq；将位置角θ和得到控制电压值ud和uq通过dq/αβ坐标转换模块得到α‑β坐标系下的实际电压uα和uβ，将其送入到电压空间矢量脉宽调制模块中得到各功率管率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过逆变器得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。

【技术实现步骤摘要】
基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统及方法
本专利技术涉及电动汽车用永磁同步电机能量节能控制领域，具体涉及一种基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统及方法。
技术介绍
随着人类文明的不断进步，关于环保与能源的问题备受关注。20世纪70年代的能源危机和石油短缺使得电动汽车的研发得到了较大的重视。与世界新能源和环境的重大需求及各国政府制定的宏伟计划形成鲜明对比的是，电动汽车的应用遇到了许多的难题，值得特别指出的是：续驶里程不足依然是制约纯电动汽车产业化进程的关键瓶颈。其根本原因既缘于技术研发的不成熟又缘于推广应用不成体系，但归根结底仍在于其核心技术—电池技术、电驱动控制技术的不成熟。事实上，目前电池的应用技术和系统集成技术，遇到了难以逾越的障碍，短期内难以突破。显而易见，在电池技术取得重大突破之前，电动汽车驱动系统的节能控制已成为目前影响其产业化进程的重要技术壁垒，迫切需要新理论和新方法予以攻克。电机是纯电动汽车驱动系统的重要组成部分，电机的性能直接决定了到驱动系统的性能，相比较其它类型电机而言，永磁同步电机以其高效、高功率因数、高可靠性和便于维护等优点，在电动汽车等领域应用广泛。广义Hamilton系统理以其自身与能量相关的优点，不但为永磁同步电机提供了一种直接的数学描述，而且为其控制提供了一种新的途径，广义Hamilton系统理论已成为研究电机建模与控制的重要工具之一。近年来，许多学者尝试利用Hamilton系统对电机进行建模控制，取得了较好的效果，但经过研究发现，上述成果并未真正将Hamilton系统理论中能量相关的本质运用到永磁同步电机的效率优化领域。事实上，纯电动汽车驱动系统本质上是一类具有能量交换和消耗的非线性系统，用能量平衡的观点(即Hamilton结构)来建立驱动电机系统的能量转换模型有得天独厚的优势。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机节能控制系统及方法，采用Hamilton模型来表述电动汽车用永磁同步电机，真正将Hamilton系统理论中能量相关的本质运用到永磁同步电机的效率优化领域；实现永磁同步电机的能量优化控制。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统，包括：转速及位置检测模块，用于采集永磁同步电机的转速ω和位置角θ，将位置角θ分别输入到电流检测模块和dq/αβ坐标转换模块；将转速ω输入到Hamilton速度控制模块；电流检测模块，用于采集永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic，并将其转换为d-q坐标系下的实际电流id和iq，输入到Hamilton节能控制模块；Hamilton速度控制模块，用于基于永磁同步电机的转速ω和给定的电机转速值ωr计算转速变化率Δω；将Δω输入到电流计算模块；电流计算模块，用于根据接收到的转速变化率Δω和TL，采用能量最优算法计算得到最小损耗平衡点的电流值并输入到Hamilton节能控制模块；Hamilton节能控制模块，用于根据接收到的实际电流id、iq和最小损耗平衡点的电流参考值利用Hamilton数学模型计算得到控制电压值ud和uq，再通过dq/αβ坐标转换模块转换为α-β坐标系下的实际电压uα和uβ，输入到电压调制装置；电压调制装置，用于产生三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。进一步的，所述电流检测模块包括电流传感器、abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块，电流传感器采集永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic，通过abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块将三相电流ia、ib、ic转换为d-q坐标系下的实际电流id和iq，并传送到Hamilton节能控制模块。进一步的，所述电压调制装置包括电压空间矢量脉宽调制模块和逆变器，电压空间矢量脉宽调制模块根据接收到的实际电压uα和uβ得到各功率管率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过逆变器得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。一种基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制方法，包括以下步骤：(1)采集永磁同步电机的转速ω、位置角θ，将位置角θ分别输入到αβ/dq坐标转换模块和dq/αβ坐标转换模块中；计算转速ω和给定的电机转速值ωr的差值，得到转速变化率Δω；(2)基于转速变化率Δω和TL，采用能量最优算法计算得到最小损耗平衡点的电流值(3)采集永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic，将其通过abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块得到d-q坐标系下的实际电流id和iq；(4)基于d-q坐标下的实际电流id、iq和最小损耗平衡点的电流参考值利用Hamilton模型计算得到控制电压值ud和uq；(5)将位置角θ和得到控制电压值ud和uq通过dq/αβ坐标转换模块得到α-β坐标系下的实际电压uα和uβ，将其送入到电压空间矢量脉宽调制模块中得到各功率管率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过逆变器得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。进一步的，所述步骤(2)中，基于转速变化率Δω和TL，采用能量最优算法计算得到最小损耗平衡点的电流值的具体方法为：步骤2.1：根据永磁同步电机的d轴等效电路和q轴等效电路，得到永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型；步骤2.2：假设电动汽车稳态行驶时，根据电动汽车稳态行驶时，d-q坐标系下的数学模型中等于零，且d轴励磁电感Lmd和q轴励磁电感Lmq相等，求得K为永磁同步电机能量损耗系数；TL为转矩；np为定子绕组极对数；λPM为转子永磁磁通量；步骤2.3：根据永磁同步电机的能量损耗Ploss以及能量损耗对系数K的导数的计算公式，求得使永磁同步电机能量损耗最小的系数K值，从而求得步骤2.4：令d-q坐标系下的数学模型中d轴励磁电感Lmd与d轴电流对时间t的导数的乘积为零，求得Lq分别为q轴电感；ω为转子机械角速度；Rc为铁心损耗电阻；步骤2.5：令d-q坐标系下的数学模型中q轴励磁电感Lmq与q轴电流对时间t的导数的乘积为零，求得进一步的，所述永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型为：式中，Lld,Llq分别为d,q轴漏感；id,iq分别为d,q轴电流；icd,icq分别为d,q轴铁损电流分量；iod,ioq分别为d,q轴励磁电流分量；ud,uq分别为d,q轴电压；Lmd,Lmq分别为d,q轴励磁电感；Ld,Lq分别为d,q轴电感；ω为转子机械角速度；R,Rc分别为定子电阻和铁心损耗电阻；np为定子绕组极对数；λPM为转子永磁磁通量；J为转动惯量。进一步的，所述步骤(4)中，基于d-q坐标下的实际电流id、iq和最小损耗平衡点的电流参考值利用Hamilton模型计算得到控制电压值ud和uq的具体方法为：步骤5.1：定义状态变量x和能量函数H(x)，构造Hamilton模型；步骤5.2：将永磁发电机在最小损耗平衡点的能量函数H(x*)与能量函数H(x-x*)求和，得到闭环期望能量函数Hd(x)；步骤5.3：对Hamilton模型进行能量整形；步骤5.4：基于整形前后的Hamilton模型，采用d-q坐标下的实际电流id、iq和最小损耗平衡点的电流值计算得到控制电压值ud和uq。进一步的，Hamilton模型为：其中，J(x)为反对称矩阵，R(x)为半正定矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统，其特征是，包括：转速及位置检测模块，用于采集永磁同步电机的转速ω和位置角θ，将位置角θ分别输入到电流检测模块和dq/αβ坐标转换模块；将转速ω输入到Hamilton速度控制模块；电流检测模块，用于采集永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic，并将其转换为d‑q坐标系下的实际电流id和iq，输入到Hamilton节能控制模块；Hamilton速度控制模块，用于基于永磁同步电机的转速ω和给定的电机转速值ωr计算转速变化率Δω；将Δω输入到电流计算模块；电流计算模块，用于根据接收到的转速变化率Δω和TL，采用能量最优算法计算得到最小损耗平衡点的电流值

【技术特征摘要】
1.一种基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统，其特征是，包括：转速及位置检测模块，用于采集永磁同步电机的转速ω和位置角θ，将位置角θ分别输入到电流检测模块和dq/αβ坐标转换模块；将转速ω输入到Hamilton速度控制模块；电流检测模块，用于采集永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic，并将其转换为d-q坐标系下的实际电流id和iq，输入到Hamilton节能控制模块；Hamilton速度控制模块，用于基于永磁同步电机的转速ω和给定的电机转速值ωr计算转速变化率Δω；将Δω输入到电流计算模块；电流计算模块，用于根据接收到的转速变化率Δω和TL，采用能量最优算法计算得到最小损耗平衡点的电流值并输入到Hamilton节能控制模块；Hamilton节能控制模块，用于根据接收到的实际电流id、iq和最小损耗平衡点的电流参考值利用Hamilton数学模型计算得到控制电压值ud和uq，再通过dq/αβ坐标转换模块转换为α-β坐标系下的实际电压uα和uβ，输入到电压调制装置；电压调制装置，用于产生三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。2.根据权利要求1所述的基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统，其特征是，所述电流检测模块包括电流传感器、abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块，电流传感器采集永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic，通过abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块将三相电流ia、ib、ic转换为d-q坐标系下的实际电流id和iq，并传送到Hamilton节能控制模块。3.根据权利要求1所述的基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统，其特征是，所述电压调制装置包括电压空间矢量脉宽调制模块和逆变器，电压空间矢量脉宽调制模块根据接收到的实际电压uα和uβ得到各功率管率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过逆变器得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。4.一种采用权利要求1-3中任一项所述的基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：(1)采集永磁同步电机的转速ω、位置角θ，将位置角θ分别输入到αβ/dq坐标转换模块和dq/αβ坐标转换模块；计算转速ω和给定的电机转速值ωr的差值，得到转速变化率Δω；(2)基于转速变化率Δω和TL，采用能量最优算法计算得到最小损耗平衡点的电流值(3)采集永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic，将其通过abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块得到d-q坐标系下的实际电流id和iq；(4)基于d-q坐标下的实际电流id、iq和最小损耗平衡点的电流参考值利用Hamilton模型计算得到控制电压值ud和uq；(5)将位置角θ和得到控制电压值ud和uq通过dq/αβ坐标转换模块得到α-β坐标系下的实际电压uα和uβ，将其送入到电压空间矢量脉宽调制模块中得到各功率管率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过逆变器得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。5.根据权利要求4所述的采用基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤(2)中，基于转速变化率Δω和TL，采用能量最优算法计算得到最小损耗平衡点的电流值的具体方法为：步骤2.1：根据永磁同步电机的d轴等效电路和q轴等效电路，得到永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型；步骤2.2：假设电动汽车稳态行驶时，根据电动汽车稳态行驶时，d-q坐标系下的数学模型中等于零，且d轴励磁电...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴文卉，张承慧，马彦君，孙毅，
申请(专利权)人：山东交通学院，
类型：发明
国别省市：山东,37