永磁同步电机驱动的弱磁技术的弱磁控制方法和驱动控制装置的制造方法

[0001] 本发明设及一种电机驱动的弱磁技术控制技术特别设及一种永磁同步电机驱动的弱磁技术的弱磁控制方法和驱 动控制装置。

[0002] 永磁同步电机驱动的弱磁技术W其控制性能好、功率密度高、节能等特点已经在各行各业中得到 广泛应用。其中在很多应用场合中，要求永磁同步电机驱动的弱磁技术运行在高频范围继而运行在弱磁 区间，比如基于永磁同步电机驱动的弱磁技术的变频压缩机、基于永磁同步电机驱动的弱磁技术的风机等

[0003] 经典的弱磁控制方法，将输出电压矢量幅值与设定输出电压阔值比较當超过阔 值时增大弱磁电流(即矢量控制中d轴负方向电流），反之减小弱磁电流调节过程通常采用 纯积分控制器或者比例积分控制器，即對输出电压矢量幅值与设定输出电压阔值的差值进 行纯积分控制或者比例积分控制来调节弱磁电流

[0004] 在运行频率给定要求快速上升或者输叺电压暂降的情况下，直流母线电压幅值不 满足输出电压要求由于永磁同步电机驱动的弱磁技术控制系统速度环的滞后特性，需要快速進入弱磁状 态W保证矢量控制的稳定性在输出电压受脉宽调制算法和直流母线电压限制而使得实际 输出电压低于期望输出电压时，更加需偠加快弱磁控制的响应速度

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种永磁同步电机驱动的弱磁技术的弱磁控 制方法该方法对进入弱磁控制的输入电压差值进行优化，补偿上脉宽调制算法造成实际 电压输出损失对弱磁控制的影响W提高弱磁控制的响应速度。

[0006] 本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足提供一种实现永磁同步电机驱动的弱磁技术 的弱磁控制方法的驱动控制装置。

[0007] 本发奣的目的通过下述技术方案实现:一种永磁同步电机驱动的弱磁技术的弱磁控制方法包括 W下步骤：

[000引当期望输出电压幅值 >电压限幅阔值时，进入弱磁状态通过第一控制器调节W 增大弱磁电流；当期望输出电压幅值<电压限幅阔值时，退出弱磁状态通过第一控制器调 节W减小弱磁电流。

[0009] 其中期望输出电压幅值为永磁同步电机驱动的弱磁技术矢量控制输出的电压矢量幅值；

[0010] 其中，电压限幅阔值为驱动器能够输出嘚最大电压幅值和电压调节裕量设定的差 值即电压限幅阔值等于最大电压幅值减去电压调节裕量；

[0011] 其中，驱动器能够输出的最大电压幅徝受限于直流母线电压和脉宽调制算法;可 选地采用空间矢量脉宽调制算法，驱动器在线性调制区内能够输出的最大电压幅值为直 流母线電压的0.577倍

[001^ 其中，第一控制器的输入为弱磁电压差值A UA U= (Umax-Us)+A(U0-Us)，其中 Umax为电压限幅阔值，Us为期望输出电压幅值UO为实际电压输出幅值，A为可调系數；

[0013] 其中实际输出电压为期望输出电压经过脉宽调制算法后实际输出的电压，在空 间矢量脉宽调制算法中当期望输出电压超出电压空間时会被限制在电压空间范围，从而 使得实际输出电压幅值小于期望电压幅值；

[0014] 其中可调系数取值在[0，1]范围内当可调系数取值为零时，对弱磁控制没有影 响；当可调系数取值大于零时可W加快弱磁控制的响应速度；

[0015] 可选地，第一控制器采用比例-积分控制器；

[0016] 可选地第┅控制器采用纯积分控制器。

[0017] 本发明的另一目的通过W下技术方案实现:一种实现永磁同步电机驱动的弱磁技术的弱磁控制方 法的驱动控制装置包括:驱动电路，所述驱动电路包括六个功率开关管所述六个功率开 关管构成=相桥臂，所述=相桥臂中的第一桥臂具有第一节点所述=楿桥臂中的第二桥 臂具有第二节点，所述=相桥臂中的第=桥臂具有第=节点所述第一节点、所述第二节点 和所述第=节点对应与所述永磁同步電机驱动的弱磁技术的=相绕组相连，且所述六个功率开关管中的每 个功率开关管反并联有二极管;控制模块所述控制模块用于在接收到永磁同步电机驱动的弱磁技术=相 电流进行矢量控制，输出驱动信号给六个功率开关管

[0018] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

[0019] 本发奣对进入弱磁控制的输入电压差值进行优化，补偿上脉宽调制算法造成实际 电压输出损失对弱磁控制的影响W提高弱磁控制的响应速度。

[0020] 圖1是永磁同步电机驱动的弱磁技术的控制电路拓扑

[0021 ]图2是旋转坐标系与静止坐标系关系图。

[0022] 图3是表贴式永磁同步电机驱动的弱磁技术的矢量控制框图

[0023] 图4时内嵌式永磁同步电机驱动的弱磁技术的矢量控制框图。

[0024] 图5是经典弱磁控制模块的控制方法

[0025] 图6是本发明表贴式永磁同步電机驱动的弱磁技术的矢量控制框图。

[0026] 图7时本发明内嵌式永磁同步电机驱动的弱磁技术的矢量控制框图

[0027] 图別寸本发明弱磁控制模块的控淛方法。

[0028] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述但本发明的实施方式不限 于此。

[0030] 如图1所示永磁同步电机驱动的弱磁技术嘚控制电路拓扑包括控制忍片、功率开关管组成的=相 桥式驱动电路、永磁同步机。其中驱动电路具有6个IGBT，所述驱动电路反向并联有二极 管此外，电容采用电解电容CU+、U-分别为財目上、下桥臂的电压，V+、V-分别为V相上、下桥 臂的电压W+、W-分别为W相上、下桥臂的电压。控制忍爿输出压缩机驱动信号压缩机驱动 信号通过驱动电路控制压缩机的运行，通过=个电流传感器进行压缩机相电流检测

[0031] 如图2所示，为永磁哃步电机驱动的弱磁技术矢量控制的坐标关系图如图3所示，为表贴式永磁同 步电机驱动的弱磁技术的无传感器矢量控制框图如图4所示，为内嵌式永磁同步电机驱动的弱磁技术的无传感器矢量控制 框图本实施例中W永磁同步电机驱动的弱磁技术的无传感器矢量控制为例，敘述本发明提供的弱磁控制 方法;在永磁同步电机驱动的弱磁技术的有传感器矢量控制中本发明提供的弱磁控制并无区别。

[0032] 如图3和图4所示在永磁同步电机驱动的弱磁技术的矢量控制中，给定转速4与估计转速旬经过 比例积分控制器(PI)输出转矩给定狂在表贴式永磁同步电机驱動的弱磁技术中，根据转矩给定7：与转矩 电流系数Kt计算得到转矩电流(q轴电流)的给定（直轴电流(d轴电流）的给定Z;由弱磁电 流ifwc决定。在内嵌式永磁同步电机驱动的弱磁技术中根据转矩给定r与转矩电流系数KtW及弱磁电流 ifwc经过最大转矩电流控制(MTPA)计算得到交轴电流(q轴电流)给定和直轴電流(d轴电 流)给定0。根据d轴电流给定、q轴电流给定和反馈电流id/iq经过矢量控制输出电压Ud/Uq 然后经过P A R K逆变换得到控制输出电压U a / U e，再经过空间矢量調制 (SpaceVetorModulation,SVM)输出PWM波形经过功率模块驱动永磁同步电机驱动的弱磁技术(PMSM)。通过 电流传感器检测电机驱动的弱磁技术S相电流并经过CLA服E变换得到反饋电流ia/ie，再经过PA服变化得 到反馈电流id/iq根据输出电压ua/ue和反馈电流ia/i拟及电机驱动的弱磁技术参数（电机驱动的弱磁技术电阻Rs、直轴电 感。和茭轴电感Lq)通过无传感器估计算法可W得到估计转速聲和估计电角度4。

[0033] 经典的弱磁控制方法如图5所示根据旋转坐标系下输出电压UdAiq或者静止唑标 系下输出电压Ua/Ue计算输出电压幅值Us，为：

[0035] 根据驱动器能够输出的最大电压幅值和电压调节裕量Uspare设置电压限幅阔值 Umax,当采用空间矢量脉宽调淛算法并且驱动器只工作在线性调制区内而不进行过调制时 能够输出的最大

本发明涉及一种用于纯电动汽车嘚永磁同步电机驱动的弱磁技术控制器弱磁标定的新方法,属于电动汽车技术领域

目前，能源危机与环境污染越来越受关注在全球寻求降低能源损耗的新途径中，我国大力发展新能源汽车的政策应运而生而纯电动汽车是主要发展方向，在纯电动车动力总成中驱动部分，用到的最多的仍然是永磁同步电机驱动的弱磁技术这是区别于其他类型的汽车产品的地方所在，在决定着电机驱动的弱磁技术是否良恏工作的电机驱动的弱磁技术控制器方面目前国内的控制器大多是工业性，由于路况复杂实时性要求高等特点，使得汽车级电机驱动嘚弱磁技术控制器较工业型要求更高而常规的工业型电机驱动的弱磁技术电机驱动的弱磁技术控制器应用在纯电动汽车时，存在高速运荇时电机驱动的弱磁技术振动大响应速度慢等问题。例如公开号为CNA的专利申请公开了一种控制汽车电动后备门防夹反应时间的方法及裝置，该方法包括：计算驱动电机驱动的弱磁技术标定速度与实际速度之间的差值△ω，和实际电流与标定电流之间的差值△I；若△ω大于第一转速防夹阈值或△I大于第一防夹阈值，进入预防夹模式；调整驱动电机驱动的弱磁技术两端的占空比以增大驱动电机驱动的弱磁技术的电流，更新△ω和△I；若预防夹模式下的△ω未减小到第二转速防夹阈值，判断预防夹模式下的△I是否大于第二防夹阈值，进入深度预防夹模式；再次调整占空比，以再次增大驱动电机驱动的弱磁技术的电流再次更新△I；若深度预防夹模式下的△I大于第三防夹阈值，則判断进行防夹该方法及装置可以解决汽车电动后备门判断防夹反应时间过长，容易夹伤用户的问题

例如，公开号为CNA的专利申请公开叻一种超声波电机驱动的弱磁技术转速标定的控制方法经过高低温测试得到电机驱动的弱磁技术定子的频率-温度和热敏电阻-温度曲线，洅由电机驱动的弱磁技术在任意一设定转速工作时所对应的工作频率和热敏电阻值反推电机驱动的弱磁技术达到设定转速时的温度计算該温度下的扫描谐振频率；把工作频率与扫描谐振频率之间的差值补偿到谐振频率曲线中得到工作频率曲线；标定一台驱动器的频率控制芓曲线，计算不同温度下电机驱动的弱磁技术的工作频率控制字；根据恒流源可以计算不同温度下热敏电阻两端的电压并将其转化为AD值；最后获得电机驱动的弱磁技术标定所需的控制参数。

例如公开号为CNA的专利申请公开了一种软件标定式打标电机驱动的弱磁技术，包括電机驱动的弱磁技术和智能控制器所述的智能控制器位于电机驱动的弱磁技术的一侧，所述的智能控制器包括打标控制头、打标后标识識别装置、标识对比智能判别系统和标定载体本发明通过打标控制头来实现电机驱动的弱磁技术标定功能，通过标识对比智能判别系统來接收打标控制头和打标后标识识别装置的动作和信息监控打标完成的质量，并及时提醒用户处理标定载体上的标识另外，在汽车运荇于低速爬坡由于效率较低与短时间冲刺等问题，在低速时依然希望电机驱动的弱磁技术运行在高速范围，而常规的电机驱动的弱磁技术控制器在低速时存在明显的振动，通过变速箱使电机驱动的弱磁技术运行在高速，可以有效解决此问题

综上所述，在现有技术Φ汽车级电机驱动的弱磁技术控制器当运行于高速时，需要特殊的处理而目前国内大多采用的是查表法，其适应路况的的快速反应能仂以及控制效果存在着缺陷这就需要一种新的弱磁控制方法，适应在汽车级电机驱动的弱磁技术控制器满足复杂路况的要求。

本发明嘚目的在于提供一种能够克服上述技术问题的用于纯电动汽车的永磁同步电机驱动的弱磁技术控制器弱磁标定的新方法本发明所述方法能够有效地解决MTPA控制向弱磁控制转化存在的震动，同时当电机驱动的弱磁技术运行在高速时，具有控制效果良好、性能稳定、振动小、反应速度快、适用性强的特点MTPA是单位最优转矩/电流比。本发明所述方法包括以下步骤：

(1)在基速以下时采用数据查表法，即利用实验测試不同电流下的Id和Iq的值得出对应的转矩，进而分析出最优转矩与Id和Iq的曲线作为MTPA控制的数据点。

(2)在高速时到达弱磁时利用基速时采集嘚MTPA数据的方法并通过实验测试得出两者不同情况的转矩误差，并对误差进行分析进行相应的控制。

(3)在以上步骤(1)、步骤(2)中加入Id和Iq分别进行PI控制

(4)进一步地，采用基速以下的MTPA控制时采用查表法，便于快速和高效率控制

(5)进一步地，弱磁控制时高速与基速的差别是在铁损和轉动惯量，而加入y＝kx+b补偿方法其中，k为铁损的系数b为阻尼系数，y为基速时转矩值与高速转矩的误差并进行数据补偿以达到良好的控淛效果。

(6)进一步地PI控制分为低速，中速和高速三种阶段三段时分别采用不同的PI参数以避免因电机驱动的弱磁技术工作情况不同造成的參数的不同。

所述Id为直轴励磁电流所述Iq为交轴励磁电流；转矩公式为：

其中，P为极对数Ψf为永磁体的感应磁链，Ld与Lq为定子上的电感；

朂优转矩与Id和Iq的关系是：最优转矩控制即使单位电流输出最大转矩控制方式因为凸极式电机驱动的弱磁技术的不对称性，需要调整Id和Iq的夶小使最小的电流输出最大的扭矩。

PI调节其中，P为比例部分I是积分部分，调节这两个参数可以改进控制性能的响应时间和稳态误差

铁损系数是由转速升高和电流增大后，引起的磁场损耗增加的一个系数阻尼系数是由于转子与定子的惯性延迟即定子磁场与感应磁场引起的转矩延迟引起的。

与现有技术相比本发明所述方法的优点是：

1.将不同速度分解为三个部分，在不同部分分别设置不同的PI参数因為随着转速不同如低速、中速、高速，由于转动惯量和电气参数的变化会导致不同的控制效果，通过三个的分段增加了控制的灵活性囷实用性。

2.电机驱动的弱磁技术在基速以下时采用MTPA数据采集，当进入弱磁后随着转速的升高，增加了Id回路的电磁电流同时，随着转速的升高电机驱动的弱磁技术本身的阻尼系数也会有变化，使得MTPA时转矩补偿存在着误差在弱磁部分仍然采用MTPA，由于转速升高和电气参數变化会存在着转矩误差，如果令y＝kx+b其中，y为采用MTPA数据采集时的误差的转矩k为铁损，x为补偿Iq轴电流b为阻尼系数，这样可以线性嘚补偿因为弱磁引起的转矩误差。y＝kx+b中的x为待求的Iq轴电流；

3.在弱磁以上时进行Id的PI调节，和Iq的PI的调节分别进行控制，使其灵活控制

图1昰本发明所述方法的基速下的控制示意图；

图2是本发明所述方法的弱磁时补偿的控制示意图。

下面结合附图对本发明所述方法的实施方式進行详细描述本发明所述方法包括以下步骤：

(1)在基速以下时，采用数据查表法即利用实验测试不同电流下的Id和Iq的值，得出对应的转矩进而分析出最优转矩与Id和Iq的曲线，作为MTPA控制的数据点

(2)在高速时，到达弱磁时利用基速时采集的MTPA数据的方法并通过实验测试得出两者不哃情况的转矩误差并对误差进行分析，进行相应的控制

(3)在以上步骤(1)、步骤(2)中加入Id和Iq分别进行PI控制。

(4)进一步地采用基速以下的MTPA控制时，采用查表法便于快速和高效率控制。

(5)进一步地弱磁控制时，高速与基速的差别是在铁损和转动惯量而加入y＝kx+b补偿方法，其中k为鐵损的系数，b为阻尼系数y为基速时转矩值与高速转矩的误差，并进行数据补偿以达到良好的控制效果

(6)进一步地，PI控制分为低速中速囷高速三种阶段，三段时分别采用不同的PI参数以避免因电机驱动的弱磁技术工作情况不同造成的参数的不同

所述Id为直轴励磁电流，所述Iq為交轴励磁电流；转矩公式为：

其中P为极对数，Ψf为永磁体的感应磁链Ld与Lq为定子上的电感；

最优转矩与Id和Iq的关系是：最优转矩控制即使单位电流输出最大转矩控制方式，因为凸极式电机驱动的弱磁技术的不对称性需要调整Id和Iq的大小，使最小的电流输出最大的扭矩

PI调節，其中P为比例部分，I是积分部分调节这两个参数可以改进控制性能的响应时间和稳态误差。

铁损系数是由转速升高和电流增大后引起的磁场损耗增加的一个系数，阻尼系数是由于转子与定子的惯性延迟即定子磁场与感应磁场引起的转矩延迟引起的

如图1所示，电机驅动的弱磁技术在运行前先进行MTPA数据采集，即给定电流测试不同的扭矩输出然后找到最佳的Id和Iq的值，找出最佳的电机驱动的弱磁技术轉矩/电流比最大限度的利用控制器的性能。

给定扭矩后通过MTPA数据分析，分别给定目标的Id*和Iq*通过三二变换和PARK变换，计算出实际的Id和Iq莋为电流的反馈，完成之后进行PI控制，通过二三变换转换到SVPWM，SVPWM为空间矢量脉宽调制；输出到桥式IGBT中控制电机驱动的弱磁技术的电流輸出，达到控制电机驱动的弱磁技术转矩的目的

在弱磁以上时，如图2所示先判断进入弱磁的条件，即给定的US*与反馈的US*k值进行比较当US*>US*k時，进入了弱磁控制这时可以将差值作为MTPA的Id电流的控制，加大Id的负值增量其中，k为一个系数取0.8-1，Vbs为直流母线电压

其中，US*为给定的Id與Iq控制的矢量电压；

US*k中US为母线电流的根号下3倍，K是比例系数；

Vbs为母线输入电压；

αβ/abc为三二变换；PARK变换为通过一定的角度旋转变换把旋转中的向量变为静止直角坐标系里面的量。

误差越大Id的负值越大，进而达到弱磁目的最后通过反馈，进行PI的调节

当采用基速的MTPA数據时，由于Id的值加大也就是去磁分量加大，同时高速时，电机驱动的弱磁技术的阻尼系数与铁损电气参数都会相应的变化会使得原來的MTPA数据输出的转矩与实际测到的转矩，存在着误差这就需要对其进行补偿。

如图2所示转矩的测试设备测得转矩与给定的转矩进行几個方面的对比，求出转矩误差y在已知给定电流Iq，求出几个分段下的铁损k和阻尼系数b计算出y、k、b后，对Iq的电流进行补偿弥补造成转矩嘚不足，达到精确控制的目的

Te为整车控制器(VCU)给定扭矩；

iα为通过三二变换后得到的交轴电流，Ub*为PARK逆变换前的给定交轴电压；

iβ为通过三二变换后得到的直轴电流，Ua*为PARK逆变换前的给定直轴电压。Θr为测量的电机驱动的弱磁技术位置角度

以上所述，仅为本发明的具体实施方式但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖茬本发明权利要求的保护范围内