矢量型永磁無刷電機控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種矢量型永磁無刷電機控制方法，電機啟動時，采用恒轉矩區電流閉環控制方法對永磁無刷電機進行控制，其中，當電流環比例積分控制器輸出的PWM占空比達到設定好的閾值時，采用恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法對永磁無刷電機進行控制；在恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法中，當轉矩環比例積分控制器輸出的弱磁控制超前導通換相角ΔθFW低于設定好的閾值時，采用恒轉矩區電流閉環控制方法對永磁無刷電機進行控制。
【專利說明】
矢量型永磁無刷電機控制方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種電機控制方法，尤其設及矢量型永磁無刷電機控制方法。
【背景技術】
[0002] 純電動汽車與混合動力汽車由于污染與排放少，且有較高的燃油經濟性，成為未 來汽車的主要形式。純電動汽車與混合動力汽車的動力主要使用永磁同步電機和永磁無刷 電機，其中永磁無刷電機為具有梯形波反電勢的永磁同步電機，又稱為直流無刷電機。
[0003] 目前使用永磁無刷電機作為汽車動力電機采用的是基于霍爾傳感器的六步法控 制策略。使用六步法控制策略只能實現電機電流的標量控制，若永磁無刷電機為內埋式轉 子永磁體，其dq軸電感不相等，使用標量控制無法實現電機最大轉矩的輸出。另外，隨著電 機轉速的提升，轉子永磁體的反電勢逐漸提高，基于霍爾傳感器的標量控制無法實現弱磁 功能，電機的提速能力受到限制。在高轉速區域的扭矩輸出也受到限制。
【發明內容】
[0004] 為改善傳統標量型永磁無刷電機控制策略轉矩輸出能力低及無法弱磁擴速的弊 端，本發明提出一種矢量型永磁無刷電機控制方法，其使用更高精度的位置傳感器如增量 編碼器或旋轉變壓器作為電機轉子位置傳感器，并使用基于該位置傳感器的電流矢量控制 策略，實現了電機恒轉矩區域最大轉矩電流比控制W及恒功率區域的弱磁控制，提高了永 磁無刷電機轉矩輸出能力，W及弱磁擴速能力。
[0005] 本發明解決技術問題采用如下技術方案:一種矢量型永磁無刷電機控制方法，其 特征在于，
[0006] 電機啟動時，采用恒轉矩區電流閉環控制方法對永磁無刷電機進行控制，其中，當 電流環比例積分控制器輸出的PWM占空比達到設定好的闊值時，采用恒功率弱磁區轉矩閉 環控制方法對永磁無刷電機進行控制；
[0007] 在恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法中，當轉矩環比例積分控制器輸出的弱磁控制 超前導通換相角A 0FW低于設定好的闊值時，采用恒轉矩區電流閉環控制方法對永磁無刷電 機進行控制。
[000引可選的，所述恒轉矩區電流閉環控制方法包括：
[0009] S110、獲取電機Ξ相電流Ia，Ib和Ic;
[0010] S120、獲取電機轉子位置Θ;
[00川 S130、根據電機Ξ相電流Ia，Ib和I。得到Ξ相電流幅值Ix;
[0012] S140、根據轉矩指令Te氣尋到電流指令及最大轉矩電流比控制的超前導通換 相角Δ Θμτρα，W實現最大轉矩電流比控制；
[0013] S150、對電流指令與各相電流幅值進行對比，利用比例積分控制器控制電機輸出 相應轉矩，其中比例積分控制器的輸出量為控制功率逆變器的PWM占空比；
[0014] S160、將電機轉子位置與最大轉矩電流比控制的超前導通換相角Δ Θμτρα疊加，得 到新的電機轉子位置并輸入至PWM調制模塊；
[001引S170、P歷調制模塊根據新的電機轉子位置確定功率逆變器的調制方式，輸出 相應占空比的PWM調制波形。
[0016] 可選的，恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法包括：
[0017] S210、獲取電機Ξ相電流Ia，Ib和Ic;
[0018] S220、獲取電機轉子位置白；
[0019] S230、通過3/2變換模塊獲取永磁無刷電機dq軸電流Id和Iq，并通過永磁無刷電機 轉矩估算模塊獲取電機電磁轉矩Te_est;
[0020] S240、對比Te^與估算的電機電磁轉矩Te_est，通過轉矩比例積分控制器輸出弱磁超 前導通換相角Δ 0FW;
[0021] S250、將電機轉子位置與最大轉矩電流比控制超前導通換相角Δ Θμτρα、弱磁超前 角Δ 0FW疊加，得到新的電機轉子位置Θ%
[0022] S260、PWM調制模塊根據電機轉子位置確定功率逆變器的調制方式，輸出相應 占空比的PWM調制波形。
[0023] 可選的，當電流環比例積分控制器輸出的PWM占空比達到98%時，鎖定電流環比例 積分控制器輸出的PWM占空比為100%，采用恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法對永磁無刷電 機進行控制。
[0024] 可選的，當轉矩環比例積分控制器輸出的弱磁控制超前導通換相角Δ 0FW低于-5° 時，解除電流環比例積分控制器輸出的PWM占空比為100%的鎖定，電機恢復到恒轉矩區電 流閉環控制方法。
[0025] 本發明具有如下有益效果:本發明解決了傳統永磁無刷電機可控轉速低的問題， 提升了永磁無刷電機的轉速范圍，并實現全部轉速區間的轉矩控制。提升了永磁無刷電機 恒轉矩區的轉矩輸出能力，提高了控制的電流利用率。使得永磁無刷電動機作為動力電機 應用于純電動及混合動力汽車成為可能。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明的永磁無刷電機控制裝置的結構示意圖；
[0027] 圖2為永磁無刷電機控制裝置的結構示意圖；
[0028] 圖3為Ξ相電流處理模塊內部結構圖；
[0029] 圖4為轉矩電流指令查表模塊內部結構圖；
[0030] 圖5為永磁無刷電機PWM調制方式示意圖；
[0031 ] 圖6a為永磁無刷電機超前導通調制示意圖；
[0032] 圖化為永磁無刷電機超前導通調制的等效矢量圖；
[0033] 圖7為轉矩估算模塊內部結構圖；
[0034] 圖8為恒轉矩控制與弱磁控制切換流程圖；
[0035] 圖中標記示意為：1-永磁無刷電機;2-功率逆變器;3-電機控制器;4-位置傳感器； 5-Ξ相電流傳感器;6-3/2變換模塊;7-轉矩估算模塊;8-電流處理模塊;9-轉矩-電流指令 轉換模塊;10-電流環比例積分控制器;11-PWM調制模塊;12-轉矩環比例積分控制器。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合實施例及附圖對本發明的技術方案作進一步闡述。
[0037] 實施例1
[0038] 本實施例提供了一種矢量型永磁無刷電機控制方法，其基于永磁無刷電機控制裝 置，所述永磁無刷電機控制裝置包括永磁無刷電機1、功率逆變器2、電機控制器3、電機轉子 位置傳感器4和Ξ相電流傳感器5。
[0039] 所述功率逆變器用于產生Ξ相交流電；所述功率逆變器由M0S管或IGBT等功率元 件構成特殊的拓撲結構(Ξ相全橋逆變器)W實現電流從直流到交流的變換。
[0040] 所述Ξ相電流傳感器用于檢測永磁無刷電機的Ξ相電流;其一般為霍爾電流傳感 器。
[0041 ]所述電機轉子位置傳感器用于檢測電機轉子實際位置；由高精度位置傳感器如旋 轉變壓器、光電編碼器等傳感器構成，在本實施例中使用旋轉變壓器作為電機轉子位置傳 感器。
[0042] 所述電機控制器用于控制功率逆變器;本實施例中，所述電機控制器通過轉子位 置傳感器獲取永磁無刷電機轉子位置（電角度），通過Ξ相電流傳感器獲取永磁無刷電機Ξ 相電流，同時控制功率逆變器進行直流交流變換，驅動永磁無刷電機輸出指定的轉矩。
[0043] 所述矢量型永磁無刷電機控制方法包括：
[0044] 當電機剛啟動時，采用恒轉矩區電流閉環控制方法;所述恒轉矩區電流閉環控制 方法包括：
[0045] S110、通過Ξ相電流傳感器獲取電機Ξ相電流Ia，Ib和I。；
[0046] S120、通過永磁無刷電機轉子位置傳感器獲取電機轉子位置Θ ;
[0047] S130、根據電機；相電流Ia，Ib和Ic，得到S相電流幅值Ix;參見附圖2己相電流處 理模塊8用于將Ξ相電流轉換為電流幅值Ιχ，Ξ相電流的轉換過程如圖3所示，因永磁無刷 電機Ξ相電流任意時刻均一相為正、一相為負和一相為零，因此，可W將Ξ相電流的每相的 幅值取絕對值后相加并除W二，得到Ξ相電流的電流幅值Ιχ。
[0048] S140、根據轉矩指令Te*得到電流指令及最大轉矩電流比控制的超前導通換 相角Δ Θμτρα,Κ實現最大轉矩電流比控制；參見圖2,轉矩-電流指令轉換模塊9獲取轉矩指 令ΤΛ并將轉矩指令Te作專換為對應的電流指令1/及超前導通換相角Δ Θμτρα。電流指令1/與 超前導通換相角A Θμτρα可W通過圖4所示的查表單元獲得，根據轉矩指令Te^通過查表單元 LUT1及LUT2得到對應的電流指令1/及超前導通換相角Δ Θμτρα。該查表單元可通過實際的電 機數據標定得到，W實現永磁無刷電機的最大轉矩電流比控制。
[0049] S150、對電流指令與各相電流幅值進行對比，利用比例積分控制器控制電機輸出 相應轉矩，其中比例積分控制器的輸出量為控制功率逆變器的PWM占空比；即，參照附圖2， 所述比例積分控制器對比電流指令1/與實際檢測的電流幅值Ιχ，通過該比例積分控制器的 輸出來控制功率逆變器，使功率逆變器輸出不同占空比Ppwm到Ρ歷調制模塊，W控制永磁無 刷電機輸出相應的轉矩。
[0050] S160、將電機轉子位置與最大轉矩電流比控制的超前導通換相角Δ Θμτρα疊加，得 到新的電機轉子位置并輸入至PWM調制模塊11;
[0051 ] S170、pmi調制模塊根據新的電機轉子位置確定功率逆變器的調制方式，輸出 相應占空比的PWM調制波形;參考圖5,其示出了永磁無刷電機PWM調制方式，將轉子電角度 一個周期分為6個扇區，在不同的扇區對6個功率器件中的兩個進行PWM調制，其他的功率器 件不進行調制。當超前導通換相角為0°時，永磁無刷電機處于正常導通模式。而當超前導通 換相角大于0°時，輸入PWM調制模塊的角度提前，當電機轉子處于某一扇區時會提前開啟下 一扇區的調制模式。如圖6a永磁無刷電機超前導通調制示意圖所示，當電機轉子處于第一 扇區時，正常調制模式下VTiVT2兩個功率元件進行調制導通，電流矢量isi與q軸重合，當處 于超前導通調制模式時，會提前進入第二扇區的調制模式，對VT2VT3兩個功率元件進行調制 導通，電流矢量is2方向如圖6b所示。如圖6b所示，隨著超前導通換相角的增加，兩個電流矢 量的合矢量is由q軸正方向逐漸向d軸負方向移動。通過調節超前導通調換相角可W控制電 流矢量is的方向，實現恒轉矩區最大轉矩電流比控制，W及恒功率區弱磁控制。
[0052] 目P，在恒轉矩區域，使用電流閉環控制模式，永磁無刷電機在恒轉矩區域的電磁轉 矩輸出與Ξ相電流幅值和功率逆變器調制超前導通換相角有關，可W通過控制Ξ相電流幅 值和超前導通換相角來控制電機轉矩輸出，并實現最大轉矩電流比控制。
[0053] 隨著永磁無刷電機轉速升高，反電勢逐漸升高，PWM占空比逐漸接近100%，當PWM 占空比達到設定好的闊值時電機進入恒功率弱磁控制。
[0054] 此時PWM輸出占空比鎖定為100%，通過調節永磁無刷電機功率逆變器的弱磁控制 超前導通換相角A 0FW控制電機轉矩的輸出，開啟恒功率弱磁區轉矩閉環控制。而當弱磁控 制超前導通換相角A Θ?逐漸減小，達到設定好的闊值時，解除nm占空比的鎖定，恢復恒轉 矩區電流閉環控制。
[0055] 所述恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法包括：
[0化6] S210、通過Ξ相電流傳感器獲取電機Ξ相電流Ia，Ib和Ic;
[0057] S220、通過永磁無刷電機轉子位置傳感器獲取電機轉子位置Θ ;
[005引 S230、通過3/2變換模塊獲取永磁無刷電機dq軸電流Id和Iq，并通過永磁無刷電機 轉矩估算模塊獲取電機電磁轉矩Te_est;參考圖2,電流3/2變換模塊6的功能為將Ξ相電流由 靜止坐標系變換到旋轉坐標系，坐標變換方程為：
[0化9]
[0060] 參考圖2和圖7,轉矩估算模塊7獲取dq軸電流Id和Iq，并根據標定好的轉矩估算查 表數據得到永磁無刷電機此時的轉矩輸出值Te_est，在另一種實施例中也可W將dq軸電流轉 換為電流矢量is與電流相角ise的形式，并通過標定好的轉矩估算查表數據得到電機此時的 轉矩輸出值Te_est。
[0061] S240、對比估算的電機電磁轉矩Te_est，通過轉矩比例積分控制器12輸出弱磁 超前導通換相角Δ 0FW;
[0062] S250、將電機轉子位置與最大轉矩電流比控制超前導通換相角Δ Θμτρα、弱磁超前 角Δ 0FW疊加，得到新的電機轉子位置Θ%
[0063] S260、PWM調制模塊根據電機轉子位置確定功率逆變器的調制方式，輸出相應 占空比的PWM調制波形。
[0064] 當電機進入恒功率弱磁區時，開啟扭矩閉環控制模式。此時通過超前導通換相方 法提升永磁無刷電機轉矩輸出能力。
[0065] 恒轉矩區電流閉環控制方法與恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法之間的切換如圖8 所示，當電流環比例積分控制器輸出的PWM占空比達到98%時，鎖定電流環比例積分控制器 輸出的PWM占空比為100%，采用恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法對永磁無刷電機進行控 審IJ。此時通過轉矩閉環比例積分控制器調節功率逆變器的超前導通換相角來控制電機的轉 矩輸出，隨著超前導通換相角的增加，恒功率區電機的電磁轉矩輸出逐漸增加。當轉矩指令 逐漸下降，超前導通換相角逐漸減小，當轉矩環比例積分控制器輸出的弱磁控制超前導通 換相角A 0FW低于-5°時，解除電流環比例積分控制器輸出的PWM占空比為100%的鎖定，電機 恢復到恒轉矩區電流閉環控制方法。
[0066] 在恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法中，根據轉矩估算模塊7輸出的轉矩估算值，對 比轉矩指令Te^并將轉矩指令值與轉矩估算值的誤差輸入轉矩比例積分控制器12,所述轉 矩比例積分控制器12所輸出的結果為弱磁控制超前導通換相角Δ Θ?，將弱磁控制超前導通 換相角Δ 0FW與電機轉子位置與最大轉矩電流比控制超前導通角A Θμτρα疊加輸入到PWM調制 模塊。PWM調制模塊獲取新的電機轉子電角度并確定功率逆變器的調制方式，控制電機 在恒功率弱磁區域輸出相應的轉矩。
[0067] W上實施例的先后順序僅為便于描述，不代表實施例的優劣。
[0068] 最后應說明的是：W上實施例僅用W說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡管 參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可 W對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換； 而運些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和 范圍。
【主權項】
1. 一種矢量型永磁無刷電機控制方法，其特征在于， 電機啟動時，采用恒轉矩區電流閉環控制方法對永磁無刷電機進行控制，其中，當電流 環比例積分控制器輸出的PWM占空比達到設定好的閾值時，采用恒功率弱磁區轉矩閉環控 制方法對永磁無刷電機進行控制； 在恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法中，當轉矩環比例積分控制器輸出的弱磁控制超前 導通換相角A 0FW低于設定好的閾值時，采用恒轉矩區電流閉環控制方法對永磁無刷電機進 行控制。2. 根據權利要求1所述的矢量型永磁無刷電機控制方法，其特征在于，所述恒轉矩區電 流閉環控制方法包括： S110、獲取電機三相電流Ia，Ib和Ic; S120、獲取電機轉子位置Θ; S130、根據電機三相電流Ia，Ib和I。，得到三相電流幅值Ix; S140、根據轉矩指令T，得到電流指令1/以及最大轉矩電流比控制的超前導通換相角Δ ΘΜΤΡΑ，以實現最大轉矩電流比控制； S150、對電流指令與各相電流幅值進行對比，利用比例積分控制器控制電機輸出相應 轉矩，其中比例積分控制器的輸出量為控制功率逆變器的PWM占空比； S160、將電機轉子位置與最大轉矩電流比控制的超前導通換相角△ ΘΜΤΡΑ疊加，得到新的 電機轉子位置θ'并輸入至PWM調制模塊； S170、PWM調制模塊根據新的電機轉子位置θ'確定功率逆變器的調制方式，輸出相應占 空比的PWM調制波形。3. 根據權利要求2所述的矢量型永磁無刷電機控制方法，其特征在于，恒功率弱磁區轉 矩閉環控制方法包括： S210、獲取電機三相電流Ia，Ib和Ic; S220、獲取電機轉子位置Θ; S230、通過3/2變換模塊獲取永磁無刷電機dq軸電流Id和Iq，并通過永磁無刷電機轉矩 估算模塊獲取電機電磁轉矩Te_est; S240、對比T/與估算的電機電磁轉矩Te_est，通過轉矩比例積分控制器輸出弱磁超前導 通換相角A0FW; S250、將電機轉子位置與最大轉矩電流比控制超前導通換相角△ ΘΜΤΡΑ、弱磁超前角Δ 疊加，得到新的電機轉子位置Θ% S260、PWM調制模塊根據電機轉子位置θ'確定功率逆變器的調制方式，輸出相應占空比 的PWM調制波形。4. 根據權利要求3所述的矢量型永磁無刷電機控制方法，其特征在于，當電流環比例積 分控制器輸出的Ρ麗占空比達到98 %時，鎖定電流環比例積分控制器輸出的PWM占空比為 100%，采用恒功率弱磁區轉矩閉環控制方法對永磁無刷電機進行控制。5. 根據權利要求4所述的矢量型永磁無刷電機控制方法，其特征在于，當轉矩環比例積 分控制器輸出的弱磁控制超前導通換相角A 0FW低于-5°時，解除電流環比例積分控制器輸 出的PWM占空比為100 %的鎖定，電機恢復到恒轉矩區電流閉環控制方法。
【文檔編號】H02P6/16GK106059431SQ201610532680
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】李巖, 常城, 趙慧超
【申請人】中國第汽車股份有限公司, 中國第一汽車股份有限公司