CN102403950B - 一种电动汽车感应电机励磁电流给定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车感应电机励磁电流给定装置，在现有技术的基础上，增加了励磁电流限幅计算模块和限幅PI控制模块。在感应电机正常运行时，随着实际同步转速ω_e的增大，计算出的励磁电流限幅最大值i_sd.max将减小。在最大电压矢量u_sm不变的情况下，电压环PI控制器励磁电流i_sdref将减小。由于励磁电流i_sdref的减小，感应电机的反电动势将减小，那么在母线电压u_DC不变的情况下，感应电机能够升至更高的转速。此外，本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置省去了恒转矩区、恒功率区和恒电压区之间切换点的计算，可有效的防止因切换点计算不准造成的输出励磁电流的跳变，使得励磁电流给定值能够平缓的变化，减小因为励磁电流给定值的跳变带来的感应电机控制的抖动，增加感应电机控制的安全性。

Description

一种电动汽车感应电机励磁电流给定装置

技术领域

本发明属于电动汽车电机控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种电动汽车电机驱动控制器如何发出励磁电流给感应电机给定装置。

背景技术

随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，电动汽车已成为21世纪汽车产业的发展方向，是绿色车辆最主要的发展方向之一。但是由于感应电机本身的特性的限制以及供电电池电压的限制，电动汽车在高速行驶时不能工作在恒转矩区，而工作在恒功率区，此时需要通过弱磁来降低感应电机的输出转矩达到提高转速的目的。

感应电机以其构造简单、运行可靠以及调速范围广在电动汽车驱动系统中得到了普遍的运用。对电动汽车而言，要求感应电机在低转速时输出大转矩，同时又能运行在高转速。电机超过基速运行时，额定磁通下产生的反向电动势会超过逆变器输出的最大电压。为了保持电压平衡，必须减小磁通，即减小励磁电流以减小反电动势，此时感应电机进入弱磁区域。因此，给出合理的磁通给定值与保持磁通给定值变化时电机控制的稳定性，是保证感应电机高速运行性能的关键。

在感应电机控制当中，感应电机低速运行时，磁通给定值为额定磁通。进入弱磁区域时，磁通的给定方案主要有：

1.随转速的上升，人为减小磁通的方法。此方法的励磁电流由人为的给出，并不能保证转矩在当前转速下达到最大值。

2.基于电压、电流限制，由稳态方程推出磁通给定值的方法。此方法对感应电机的参数依赖较大，感应电机参数不准时很难达到最佳弱磁效果。

3.电压闭环的方法。此方案具有很强的鲁棒性，但目前对电压闭环PI的输出并没有利用感应电机在不同的弱磁区域的最佳弱磁曲线对PI输出进行限制。

综上可知，电动汽车的最高转速受到了电池端电压和感应电机最大电流的限制，而通过弱磁的方法提高转速是一种必然的选择。在这种控制方法下，如何合理的给出感应电机的励磁电流指令成为了影响电动汽车能够高速行驶的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种电动汽车感应电机励磁电流给定装置，使电动汽车能够达到更高的运行速度。

为实现上述发明目的，本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置，包括：

电压环PI控制器，对感应电机上的实际电压矢量u_s与最大电压矢量u_sm进行比较，并进行PI控制，输出合适的励磁电流给定值i_sdref；

其特征在于，还包括：励磁电流限幅计算模块，用于计算励磁电流限幅最大值i_sd.max和最小值i_sd.min；

1.1)、按感应电机运行于恒转矩区为：

i_sd.max＝i_sdn；i_sd.min＝0                                ①

1.2)、按感应电机运行于恒功率区为：

$i_{\mathrm{sd}.\max }=\sqrt{\frac{u_{\mathrm{sm}}^2-b^2{i}_{\mathrm{sm}}^2}{a^2-b^2}},$ $u_{\mathrm{sm}}^2\≥b^2{i}_{\mathrm{sm}}^2;$ i_sd.min＝0

$u_{\mathrm{sm}}=u_{\mathrm{DC}}/\sqrt{2}$

a＝Lsω_e，b＝σLsω_e                                     ②

1.3)、按感应电机运行于恒电压区为：

$i_{\mathrm{sd}.\max }=\frac{u_{\mathrm{sm}}}{\sqrt{2}{L}_s{\mathrm{\ω}}_e}$

i_sd.min＝0                                               ③

上述三式中，i_sdn感应电机本身的额定励磁电流，u_sm为最大电压矢量，

u_DC为母线电压，i_sm感应电机最大安全运行电流，ω_e为实际同步转速，Ls为定子自感，σLs为总漏感；

将由公式②和公式③计算出的励磁电流限幅最大值i_sd.max取较大值，再与公式①计算出的磁电流限幅最大值i_sd.max比较取较小值，作为励磁电流限幅计算模块输出的励磁电流限幅最大值i_sd.max，然后连同最小值i_sd.min输出；

在电压环PI控制器中，还包括限幅PI控制模块，用于当励磁电流给定值i_sdref大于励磁电流限幅最大值i_sd.max或小于励磁电流限幅最小值i_sd.min，则将励磁电流给定值i_sdref渐变调节到励磁电流限幅最大值i_sd.max或最小值i_sd.min，然后再作为励磁电流给定值输出，否则，不进行调节，直接将励磁电流给定值i_sdref输出。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置，在现有技术的基础上，增加了励磁电流限幅计算模块和限幅PI控制模块。在感应电机正常运行时，随着实际同步转速ω_e的增大，计算出的励磁电流限幅最大值i_sd.max将减小。同时，随着实际同步转速ω_e的增大，加到交流感应电机上的实际电压矢量u_s将随之增大。因此，在最大电压矢量u_sm不变的情况下，电压环PI控制器励磁电流i_sdref将减小。由于励磁电流i_sdref的减小，感应电机的反电动势将减小，那么在母线电压i_DC不变的情况下，感应电机能够升至更高的转速。此外，本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置省去了恒转矩区、恒功率区和恒电压区之间切换点的计算，可有效的防止因切换点计算不准造成的输出励磁电流的跳变，使得励磁电流给定值能够平缓的变化，减小因为励磁电流给定值的跳变带来的感应电机控制的抖动，增加感应电机控制的安全性。

附图说明

图1是本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置一种具体实施方式原理框图；

图2是图1所示电压环PI控制器的结构图；

图3是本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置应用的矢量控制系统的结构图；

图4是本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置应用于电动汽车前后汽车速度的提升曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置包括电压环PI控制器501和励磁电流限幅计算模块502两个部分。

励磁电流限幅计算模块502根据输入的实际同步转速ω_e、感应电机最大安全运行电流i_sm以及最大电压矢量u_sm按照公式①～③分别按恒转矩区、恒功率区和恒电压区计算出励磁电流限幅最大值i_sd.max和最小值i_sd.min，然后将由公式②和公式③计算出的励磁电流限幅最大值i_sd.max取较大值，再与公式①计算出的磁电流限幅最大值i_sd.max比较取较小值，然后与励磁电流限幅最小值i_sd.min一起输出电压环PI控制器。磁电流限幅最大值i_sd.max选取值所对应的运行区域其实就是感应电机实际运行区域。在本实施例中，励磁电流限幅计算模块还要根据磁电流限幅最大值i_sd.max选取值所对应的运行区域，输出最大转矩电流i_sq.max：按感应电机运行于恒转矩区为： $i_{\mathrm{sq}.\max }=\sqrt{i_{\mathrm{sm}}^2-i_{\mathrm{sd}.\max }^2};$ 按感应电机运行于恒功率区为 $i_{\mathrm{sq}.\max }=\sqrt{i_{\mathrm{sm}}^2-i_{\mathrm{sd}.\max }^2};$ 按感应电机运行于恒电压区为 $i_{\mathrm{sq}.\max }=\sqrt{u_{\mathrm{sm}}^2-a^2{i}_{\mathrm{sd}.\max }}/b.$

图2是图1所示电压环PI控制器的结构图。

在本实施例中，如图2所示，本发明的电压环PI控制器包括现有的电压环PI控制模块5011，对感应电机上的实际电压矢量u_s与最大电压矢量u_sm进行比较，并在PI控制单元PI1中进行PI控制，输出合适的励磁电流给定值i_sdref；

如图2所示，电压环PI控制器包括限幅PI控制模块5012，限幅PI控制模块5012包括PI控制单元PI2、限幅模块LIMIT；

限幅模块LIMIT以调节后的励磁电流给定值i_sdref、励磁电流限幅最大值i_sd.max励磁电流限幅最小值i_sd.min作为输入，当调节后的励磁电流给定值i_sdref＞励磁电流限幅最大值i_sd.max或调节后的励磁电流给定值i_sdref＜励磁电流限幅最小值i_sd.min时，输出励磁电流限幅最大值i_sd.max或最小值i_sd.min，否则输出调节后的励磁电流给定值i_sdref；然后，调节后的励磁电流给定值i_sdref减去限幅模块LIMIT的输出得到的差值作为PI控制单元PI2的输入，经过PI控制单元PI2调节后输出作为被减数再与电压环PI控制模块5011相减，得到调节后的的励磁电流给定值i_sdref。

限幅PI控制模块5012根据励磁电流限幅计算模块502输出励磁电流限幅最大值i_sd.max和最小值i_sd.min对电压环PI控制模块5011输出的励磁电流给定值i_sdref作出相应的调节：

如果电压环PI控制模块5011输出励磁电流给定值i_sdref不在[i_sd.max，i_sd.min]的限制范围之内，则PI控制单元PI2控制环节会工作——当励磁电流给定值i_sdref大于励磁电流限幅最大值i_sd.max时，限幅模块LIMIT输出励磁电流限幅最大值i_sd.max，调节后的励磁电流给定值i_sdref减去限幅模块LIMIT的输出得到的差值为正，PI控制单元PI2控制环节输出正值，然后作为被减数与励磁电流给定值i_sdref相减从而使调节后的励磁电流给定值i_sdref减小，最终使得励磁电流给定值i_sdref等于励磁电流限幅最大值i_sd.max；同样，当励磁电流给定值i_sdref小于励磁电流限幅最小值i_sd.min时，限幅模块LIMIT输出励磁电流限幅最小值i_sd.min，调节后的励磁电流给定值i_sdref减去限幅模块LIMIT的输出得到的差值为负，PI控制单元PI2控制环节输出负值，然后作为被减数与励磁电流给定值i_sdref相减从而使调节后的励磁电流给定值i_sdref增大，最终使得励磁电流给定值i_sdref等于励磁电流限幅最小值i_sd.min；

如果电压环PI控制模块5011输出励磁电流给定值i_sdref在[i_sd.max，i_sd.min]的限制范围之内，则PI控制单元PI2控制环节不会工作——限幅模块LIMIT的输出为调节后的励磁电流给定值i_sdref，因此，其与自身的差值为0，PI控制单元PI2的输入为0，输出也为0，对电压环PI控制模块5011输出的励磁电流给定值i_sdref的调节为0，也就是不进行调节。

因此，通过PI控制单元PI2控制环节的调节作用，最终将控制器最终输出值限定在允许范围[i_sd.max，i_sd.min]之内，而且此限幅的过程为渐变的过程，可以避免由于励磁电流限幅最大值i_sd.max和最小值i_sd.min的跳动引起的最终输出值的跳动，达到平缓调节的目的。

图3是本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置应用的矢量控制系统的结构图。

如图3所示，本实施例中，本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置应用的矢量控制系统包括转速给定模块1、转速环控制模块2、限制电压给定和限制电流给定模块3、实际电压计算模块4、励磁电流给定装置5、矢量控制和解耦模块6、空间矢量脉宽调制和逆变器模块7和交流感应电机8。

其中，转速给定模块1根据踏板比例或CAN总成发送的指令输出期望的指令转速ω_ref；转速环控制模块2为输出限幅渐变PI用于通过指令转速ω_ref和反馈的电机实际转速ω计算出转矩指令电流i_sqref；限制电压给定和限制电流给定模块3根据母线电压u_DC得出最大电压矢量

给出电机最大安全运行电流i_sm；实际电压计算模块4由公式

计算加在感应电机上三项相电压的合矢量的模，即实际电压矢量u_s；本发明的励磁电流给定装置5，内部结构如图1所示，用于给出调节后的励磁电流i_sdref和转速环控制模块2输出转矩指令电流i_sqref的限幅值，即最大转矩电流i_sq.max，最大转矩电流i_sq.max的正负值输入转速环控制模块2对输出转矩指令电流i_sqref进行限幅；矢量控制和解耦模块6通过双馈闭环控制和前馈解耦得出指令电压u_sdref和u_sdref且通过电机实际转速ω和电机实际励磁电流、转矩电流计算出电机的实际同步转速ω_e；空间矢量脉宽调制和逆变器模块7通过SVPWM空间矢量调制算法得出逆变器的开关量，控制逆变器三项桥臂的通断将矢量电压(u_qref，u_dref)加到交流感应电机三个进线端上，驱动交流感应电机。上述感应电机矢量控制系统为现有技术，在此不再详细描述。

在感应电机正常运行时，随着同步转速ω_e的增大，励磁电流给定装置5计算出的i_sd.max将减小。同时，随着同步转速ω_e的增大，加到交流感应电机上的电压矢量u_s将随之增大。因此，在最大电压矢量u_sm不变的情况下，励磁电流给定装置5给出的调节后的励磁电流i_sdref将减小。由于调节后的励磁电流i_sdref i_sdref的减小，感应电机的反电动势将减小。那么在母线电压u_DC不变的情况下感应电机能够升至更高的转速，从而实现弱磁升速。

实例

将本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置应用于某电动汽车车身重量为1419kg、电池组峰值功率为25KW，感应电机峰值功率为75KW的电动汽车中进行实时仿真。实例中，电池SOC初始值为0.7，设定工作阈值为0.4，电池放电SOC限值为0.15。

图4是本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置应用于电动汽车前后汽车速度的提升曲线图。

未使用本发明时，励磁电流i_sdref的值为额定值i_sdn，转矩指令电流i_sqref由转速环控制模块2给出。使用本发明时，励磁电流i_sdref由励磁电流给定装置5给出，转矩指令电流i_sqref同样由转速环控制模块给出。为使感应电机运行于尽可能高的转速，转速给定模块1期望的指令转速ω_ref为一个很大的值，本实例中取200Km/h。

如图4所示，与未使用本发明时对比，使用本发明后，电动汽车可升速至更高的速度，证明了本发明电动汽车感应电机励磁电流给定装置的有效性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种电动汽车感应电机励磁电流给定装置，包括：

电压环PI控制器，对感应电机上的实际电压矢量u_s与最大电压矢量u_sm进行比较，并进行PI控制，输出合适的励磁电流给定值i_sdref；

其特征在于，还包括：励磁电流限幅计算模块，用于计算励磁电流限幅最大值i_sd.max和最小值i_sd.min；

1.1)、按感应电机运行于恒转矩区为：

i_sd.max＝i_sdn；i_sd.min＝0                            ①

1.2)、按感应电机运行于恒功率区为：

$i_{\mathrm{sd}.\max }=\sqrt{\frac{u_{\mathrm{sm}}^2-b^2{i}_{\mathrm{sm}}^2}{a^2-b^2}},$ $u_{\mathrm{sm}}^2\≥b^2{i}_{\mathrm{sm}}^2;$ i_sd.min＝0

$u_{\mathrm{sm}}=u_{\mathrm{DC}}/\sqrt{2}$

a＝Lsω_e，b＝σLsω_e                                 ②

1.3)、按感应电机运行于恒电压区为：

$i_{\mathrm{sd}.\max }=\frac{u_{\mathrm{sm}}}{\sqrt{2}{L}_s{\mathrm{\ω}}_e}$

i_sd.min＝0                                           ③

上述三式中，i_sdn感应电机本身的额定励磁电流，u_sm为最大电压矢量，

u_DC为母线电压，i_sm感应电机最大安全运行电流，ω_e为实际同步转速，Ls为定子自感，σLs为总漏感；

将由公式②和公式③计算出的励磁电流限幅最大值i_sd.max取较大值，再与公式①计算出的磁电流限幅最大值i_sd.max比较取较小值，作为励磁电流限幅计算模块输出的励磁电流限幅最大值i_sd.max，然后连同最小值i_sd.min输出；

在电压环PI控制器中，还包括限幅PI控制模块，用于当励磁电流给定值i_sdref大于励磁电流限幅最大值i_sd.max或小于励磁电流限幅最小值i_sd.min，则将励磁电流给定值i_sdref渐变调节到励磁电流限幅最大值i_sd.max或最小值i_sd.min，然后再作为励磁电流给定值输出，否则，不进行调节，直接将励磁电流给定值i_sdref输出。

2.根据权利要求1所述的电动汽车感应电机励磁电流给定装置，其特征在于，所述的励磁电流限幅计算模块还要根据磁电流限幅最大值i_sd.max选取值所对应的运行区域，输出最大转矩电流i_sq.max：按感应电机运行于恒转矩区为： $i_{\mathrm{sq}.\max }=\sqrt{i_{\mathrm{sm}}^2-i_{\mathrm{sd}.\max }^2};$ 按感应电机运行于恒功率区为 $i_{\mathrm{sq}.\max }=\sqrt{i_{\mathrm{sm}}^2-i_{\mathrm{sd}.\max }^2};$ 按感应电机运行于恒电压区为 $i_{\mathrm{sq}.\max }=\sqrt{u_{\mathrm{sm}}^2-a^2{i}_{\mathrm{sd}.\max }}/b.$

3.根据权利要求1所述的电动汽车感应电机励磁电流给定装置，其特征在于，所述的限幅PI控制模块包括PI控制单元、限幅模块；

限幅模块以调节后的励磁电流给定值i_sdref、励磁电流限幅最大值i_sd.max励磁电流限幅最小值i_sd.min作为输入，当调节后的励磁电流给定值i_sdref＞励磁电流限幅最大值i_sd.max或调节后的励磁电流给定值i_sdref＜励磁电流限幅最小值i_sd.min时，输出励磁电流限幅最大值i_sd.max或最小值i_sd.min，否则输出调节后的励磁电流给定值i_sdref；然后，调节后的励磁电流给定值i_sdref减去限幅模块的输出得到的差值作为PI控制单元的输入，经过PI控制单元调节后输出作为被减数再与电压环PI控制模块相减，得到调节后的的励磁电流给定值i_sdref。

限幅PI控制模块根据励磁电流限幅计算模块输出励磁电流限幅最大值i_sd.max和最小值i_sd.min对电压环PI控制模块输出的励磁电流给定值i_sdref作出相应的调节：

如果电压环PI控制模块输出励磁电流给定值i_sdref不在[i_sd.max，i_sd.min]的限制范围之内，则PI控制单元控制环节会工作——当励磁电流给定值i_sdref大于励磁电流限幅最大值i_sd.max时，限幅模块输出励磁电流限幅最大值i_sd.max，调节后的励磁电流给定值i_sdref减去限幅模块的输出得到的差值为正，PI控制单元控制环节输出正值，然后作为被减数与励磁电流给定值i_sdref相减从而使调节后的励磁电流给定值i_sdref减小，最终使得励磁电流给定值i_sdref等于励磁电流限幅最大值i_sd.max；同样，当励磁电流给定值i_sdref小于励磁电流限幅最小值i_sd.min时，限幅模块输出励磁电流限幅最小值i_sd.min，调节后的励磁电流给定值i_sdref减去限幅模块的输出得到的差值为负，PI控制单元控制环节输出负值，然后作为被减数与励磁电流给定值i_sdref相减从而使调节后的励磁电流给定值i_sdref增大，最终使得励磁电流给定值i_sdref等于励磁电流限幅最小值i_sd.min；

如果电压环PI控制模块输出励磁电流给定值i_sdref在[i_sd.max，i_sd.min]的限制范围之内，则PI控制单元控制环节不会工作——限幅模块的输出为调节后的励磁电流给定值i_sdref，因此，其与自身的差值为0，PI控制单元的输入为0，输出也为0，对电压环PI控制模块输出的励磁电流给定值i_sdref的调节为0，也就是不进行调节。

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