新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法[

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111756291 A(43)申请公布日 2020.10.09

(21)申请号 202010651279.5(22)申请日 2020.07.08

(71)申请人 东风电子科技股份有限公司

地址 201100 上海市闵行区浦江镇新骏环

路88号13幢203室(72)发明人 肖浩　蒋东晖　刘世猛　王闻宇　

王俊　(74)专利代理机构 上海智信专利代理有限公司

31002

代理人 王洁(51)Int.Cl.

H02P 21/00(2016.01)H02P 6/20(2016.01)H02P 6/34(2016.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图1页

CN 111756291 A()发明名称

新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法(57)摘要

本发明涉及一种新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，包括设置电压利用率阈值k；根据Vcu扭矩指令查询Idq_Map，获得相应的d轴参考电流Id_Map和q轴参考电流Iq_Map；根据当前电压矢量幅值，根据控制策略计算调整电流ΔIs；根据当前电机输出功率和调整电流ΔIs计算得到输出的参考电流Id_ref和Iq_ref。采用了本发明的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，提供一种永磁同步电机防饱和控制策略，该策略以标定弱磁控制为基础，在最大程度上保证输出扭矩精度的前提下，保证了电机冷态启动到高速时，逆变器输出电压不出现饱和现象，提高了电机控制安全和可靠性。

CN 111756291 A

权　利　要　求　书

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1.一种新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)设置电压利用率阈值k；

(2)根据Vcu扭矩指令查询Idq_Map，获得相应的d轴参考电流Id_Map和q轴参考电流Iq_Map；

(3)根据当前电压矢量幅值，根据控制策略计算调整电流ΔIs；

(4)根据当前电机输出功率和调整电流ΔIs计算得到输出的参考电流Id_ref和Iq_ref；

(5)将参考电流Id_ref和Iq_ref输入电流环，输出扭矩。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，其特征在于，所述的步骤(2)的d轴参考电流和q轴参考电流为标定电流参考值。

3.根据权利要求1所述的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，其特征在于，所述的步骤(3)的当前电压矢量幅值为

其中，ud为d轴电压，

uq为q轴电压。

4.根据权利要求1所述的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，其特征在于，所述的步骤(3)的调整电流ΔIs由输出电压矢量幅值与逆变器最大输出参考电压之差经过PI调节产生。

5.根据权利要求1所述的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中计算输出的参考电流Id_ref和Iq_ref，具体为：

根据以下公式计算输出的参考电流Id_ref和Iq_ref：

式中fd(|Pe|)和fq(|Pe|)分别为d轴和q轴的功率调整系数，根据以下公式计算得到：

其中，Id_Map和Iq_Map分别为d轴和q轴查表得到的参考电流，Pe为电机输出功率，Pe_Max为电机峰值功率，计算时保证|Pe|≤Pe_Max，sign(Iq_Map)表示Iq_Map的符号，如果Iq_Map大于等于0，sign(Iq_Map)等于1，反之为-1。

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CN 111756291 A

说　明　书

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新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制

的方法

技术领域

[0001]本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及同步电机控制领域，具体是指一种新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法。

背景技术

[0002]节能减排和低碳出行日益成为21世纪全球性话题，新能源汽车使用二次能源电能作为动力来源，使用过程中对环境友好，替换传统使用化石燃料的内燃汽车逐渐成趋势，由于永磁同步电机功率密度高、调速范围宽等优点被广泛作为主驱电机使用在新能源汽车上，另外，我国稀土资源丰富，为国家新能源汽车发展提供了保障。[0003]永磁同步电机作为新能源汽车的主驱电机，其调速控制一直是新能源汽车控制的重点和难点，为提高电机的扭矩响应速度和整车行驶安全性，对永磁同步电机控制业界遍认可标定法，需要提前对电机外特性进行标定，将标定生成的电流Map整理到软件工程。长时间标定过程中，电机转子处于热态，温度较高，由于永磁体材料特性，转子永磁体磁链随温度变化较大，导致冷态启动到高转速时，逆变器可能出现输出电压饱和、输出扭矩失控等严重安全故障，影响驾驶安全。

[0004]传统解决电机高速输出电压饱和措施是在标定过程中尽量留够余量以保证电机在冷态和热态状态下逆变器不会出现电压饱和现象，但该方法不但增加了标定工作量而且在一定程度上降低了电机的输出效率。

发明内容

[0005]本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足安全性好、可靠性高、适用范围较为广泛的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法。

[0006]为了实现上述目的，本发明的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法如下：

[0007]该新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：[0008](1)设置电压利用率阈值k；[0009](2)根据Vcu扭矩指令查询Idq_Map，获得相应的d轴参考电流Id_Map和q轴参考电流Iq_Map；[0010](3)根据当前电压矢量幅值，根据控制策略计算调整电流ΔIs；[0011](4)根据当前电机输出功率和调整电流ΔIs计算得到输出的参考电流Id_ref和Iq_ref；[0012](5)将参考电流Id_ref和Iq_ref输入电流环，输出扭矩。[0013]较佳地，所述的步骤(2)的d轴参考电流和q轴参考电流为标定电流参考值。

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较佳地，所述的步骤(3)的当前电压矢量幅值为其中，ud为d轴电压，uq为

q轴电压。

[0015]较佳地，所述的步骤(3)的调整电流ΔIs由输出电压矢量幅值与逆变器最大输出参考电压之差经过PI调节产生。[0016]较佳地，所述的步骤(4)中计算输出的参考电流Id_ref和Iq_ref，具体为：[0017]根据以下公式计算输出的参考电流Id_ref和Iq_ref：

[0018][0019]

式中fd(|Pe|)和fq(|Pe|)分别为d轴和q轴的功率调整系数，根据以下公式计算得

到：

[0020][0021]

其中，Id_Map和Iq_Map分别为d轴和q轴查表得到的参考电流，Pe为电机输出功率，

Pe_Max为电机峰值功率，计算时保证|Pe|≤Pe_Max，sign(Iq_Map)表示Iq_Map的符号，如果Iq_Map大于等于0，sign(Iq_Map)等于1，反之为-1。

[0022]采用了本发明的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，提供一种永磁同步电机防饱和控制策略，该策略以标定弱磁控制为基础，在最大程度上保证输出扭矩精度的前提下，保证了电机冷态启动到高速时，逆变器输出电压不出现饱和现象，提高了电机控制安全和可靠性。附图说明

[0023]图1为本发明的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法的弱磁控制方法框图。

[0024]图2为本发明的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法的ΔIs控制框示意图。

[0025]图3为本发明的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法的永磁同步电机电流分配示意图。

具体实施方式

[0026]为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

[0027]本发明的该新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，其中包括以下步骤：[0028](1)设置电压利用率阈值k；[0029](2)根据Vcu扭矩指令查询Idq_Map，获得相应的d轴参考电流Id_Map和q轴参考电流Iq_Map；[0030](3)根据当前电压矢量幅值，根据控制策略计算调整电流ΔIs；

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(4)根据当前电机输出功率和调整电流ΔIs计算得到输出的参考电流Id_ref和

Iq_ref；[0032](5)将参考电流Id_ref和Iq_ref输入电流环，输出扭矩。[0033]作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)的d轴参考电流和q轴参考电流为标定电流参考值。

[0034]

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)的当前电压矢量幅值为其

中，ud为d轴电压，uq为q轴电压。

[0035]作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)的调整电流ΔIs由输出电压矢量幅值与逆变器最大输出参考电压之差经过PI调节产生。[0036]作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(4)中计算输出的参考电流Id_ref和Iq_ref，具体为：

[0037]根据以下公式计算输出的参考电流Id_ref和Iq_ref：

[0038][0039]

式中fd(|Pe|)和fq(|Pe|)分别为d轴和q轴的功率调整系数，根据以下公式计算得

到：

[0040]

其中，Id_Map和Iq_Map分别为d轴和q轴查表得到的参考电流，Pe为电机输出功率，

Pe_Max为电机峰值功率，计算时保证|Pe|≤Pe_Max，sign(Iq_Map)表示Iq_Map的符号，如果Iq_Map大于等于0，sign(Iq_Map)等于1，反之为-1。[0042]本发明的具体实施方式中，传统标定法永磁同步电机弱磁控制是首先在低速阶段标定获取最大转矩电流比曲线，如图3所示，电机在低速运行时输出扭矩查表电流沿着最大转矩电流比曲线寻优(OBA曲线)，直到到达极限电流圆边界或者到达峰值扭矩，在中高速阶段，低扭矩时扭矩寻优沿着最大转矩电流比曲线寻优，直到到达极限椭圆边界，接着沿着极限电压椭圆标定寻优到目标扭矩(OBC曲线)，到达高速阶段后，直接沿着极限电压椭圆标定寻优到目标扭矩(DEFA2曲线)。[0043]标定后，电流Map固定，根据整车控制器发送的扭矩命令查询电流Map，输出指定扭矩电流参考值，然而受到永磁体材料特性影响，100度温升下，转子磁链平均降低5％-10％左右，可能导致电机在冷态启动到高转速出现逆变器电压饱和的现象，严重时甚至导致电机失控，出现安全事故，为此本专利设计了一种永磁同步电机防饱和控制策略，该策略以标定弱磁控制为基础，实现了电机在非饱和区域运行时，d、q轴参考电流为标定电流参考值，电压饱和后能动态调节d、q轴参考电流，在保证输出扭矩精度的前提下，实现了电压闭环退饱和，提高了电机控制安全和可靠性。

[0044]一种新能源汽车永磁同步电机控制器抑制电压饱和失控控制方法，能够保证在电机非饱和区域运行时，d、q轴参考电流为标定电流参考值；电压饱和后能动态调节d、q轴参考电流，最大程度上保证输出扭矩精度的前提下，实现了电压闭环退饱和。

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[0041]

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根据IPMSM的稳态数学模型得知其输出电压和力矩方程为：

其中：

式中：ud、uq、id、iq、为定子dq轴电压、电流和磁链；Ld、Lq、Rs分别为dq轴电感

以及定子电阻；为永磁体磁链，Te、ωe分别为电磁转矩和转子电机角速度，p为电机极对数。

[0051]

采用空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控

制，逆变器输出电压满足：

[0052]

式中k为系统最大电压利用率，从公式(4)可以看出，逆变器输出电压受到直流母线电压udc的，到达饱和电压后，逆变器不再具有调节输出电流的能力。[00]受到永磁体材料特性影响，转子100度温升下，转子磁链平均降低5％-10％左右，根据公式(1)可知，这可能导致电机在冷态启动到高转速出现逆变器电压饱和的现象，严重时甚至导致电机失控，出现安全事故。本发明专利弱磁控制控制框图如图1所示。[0055]控制框图中Te为电机控制输出扭矩命令，Id_Map和Iq_Map分别为d轴和q轴查表得到的参考电流命令，Id_ref和Iq_ref分别为d轴和q轴最终输入控制参考值，Id_fbk、Iq_fbk分别为d轴和q轴反馈电流值，ud和uq分别为d轴和q轴输出参考电压，Theta_ref为转子位置信息。

[0056]其中：

[0057]

[0053]

sign(Iq_Map)表示Iq_Map的符号，如果Iq_Map大于等于0，sign(Iq_Map)等于1，反

之为-1。

[0059]ΔIs由图2控制得到。由图可知，ΔIs由输出电压矢量幅值与给定逆变器最大输出

[0058]

电压之差经过PI调节后产生，当输出电压参考幅值值

[0060]

大于设定最大允许输出电压幅

时，输出电压饱和。

公式(5)中fd(|Pe|)和fq(|Pe|)分别为d轴和q轴的功率调整系数，根据以下公式计算得到：

[0061]

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公式(6)中Pe为电机输出功率，Pe_Max为电机峰值功率，计算时保证|Pe|≤Pe_

Max。

本发明抑制饱和控制方法如下：

[00]1、在非饱和区域(如图3所示OA曲线)，能够保证电机在非饱和区域运行时，d、q轴参考电流为标定电流参考值；[0065]2、低功率输出电压饱和区域(如图3所示DE曲线)，此区域q轴电流远小于d轴电流，由等扭矩曲线可知，最大转矩电流比曲线左侧q轴电流与d轴电流比值越小，等扭矩曲线斜率越小，即减小q轴电流对输出扭矩精度影响较大，增加反向弱磁电流对扭矩输出精度影响不大，故而采用更大比例增加反向d轴电流，使得电压饱和时，电流轨迹向左移动；[0066]3、中等功率输出电压饱和区域(如图3所示EF曲线)，反向增加d轴电流和减小q轴电流权重相当，使得电压饱和时，电流轨迹向左下方移动，保证输出扭矩精度；[0067]4、峰值功率输出电压饱和区域(如图3所示FA2曲线)，由于反向增加d轴电流对退饱和不明显，d轴电流超过G点(短路电流点)后甚至会出现增加d轴电流，逆变器输出电压饱和程度进一步加深的情况，此时降低q轴电流对退饱效果明显，故采用更大比例减小q轴电流，使得电压饱和时，电流轨迹向下方移动。

[0068]本发明的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，其中，包括以下步骤：[0069]1、设置进入抑制电压饱和控制方法的电压利用率阈值k；[0070]2、根据Vcu扭矩指令查询Idq_Map，获得相应的Id_Map和Iq_Map；

[0071][0072][0063]

3、根据当前电压矢量幅值以及图2所示控制算法得到调整电流ΔIs；

4、根据当前电机输出功率以及ΔIs按照公式(5)得到最终输出Id_ref和Iq_ref；[0073]输出的参考电流Id_ref和Iq_ref最终进入电流环，输出扭矩。[0074]本发明以一台拐点转速为4000rpm，最高转速为12000rpm、峰值扭矩为300N，峰值功率为150kW的永磁同步电机作为具体实施例，控制器最大输入电流500A的驱动系统为例(500A保证电机能输出峰值扭矩)。[0075]第一步：设置标定电压利用率，为了保证动态跟随性能，设置母线电压利用率为92％，也就是输出电压幅值在185v；[0076]第二步：按照传统标定弱磁控制法，对电机外特性进行标定，将标定后的Idq_Map整理到软件工程；[0077]第三步：设置进入抗退饱和控制策略电压利用率k，这里应该设置得比标定的电压利用率略高，防止误触发，将k值设置到0.95，即当检测到的输出相电压幅值超过192v时触发抗饱和控制策略；[0078]第四步：电控系统运行时，根据Vcu发过来的扭矩命令查询Idq_Map，得到Id_Map和Iq_Map；

[0079]

第五步：根据图1所示控制策略，获取电压矢量幅值根据图2所示控制策

略自动生成得到调整电流ΔIs；

[0080]第六步：根据当前电机输出功率以及ΔIs按照公式(5)及公式(6)得到最终输出Id_ref和Iq_ref；

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第七步：输出的参考电流Id_ref和Iq_ref最终进入电流环，输出扭矩。

[0082]采用了本发明的新能源汽车永磁同步电机控制器实现抑制电压饱和失控控制的方法，提供一种永磁同步电机防饱和控制策略，该策略以标定弱磁控制为基础，在最大程度上保证输出扭矩精度的前提下，保证了电机冷态启动到高速时，逆变器输出电压不出现饱和现象，提高了电机控制安全和可靠性。[0083]在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非性的。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

图3

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