[发明专利]一种基于机械功率预估的车用永磁同步电机矢量控制系统

说明书

本发明公开了一种基于机械功率预估的车用永磁同步电机矢量控制系统，包括电流闭环调节模块、调制比偏差计算模块、电流矢量弱磁修正模块、机械功率计算模块、电流矢量功率补偿修正模块和电流矢量修正模块。本发明的调节方向永远是弱磁向，不会出现反复调节造成的失稳；本发明通过引入dq电流同时修正，可以将抗电压饱和的压力分摊至dq电流，避免因单轴电流调节过多而导致输出转矩偏差过大；本发明在保证系统受控不失稳的传统弱磁目标的同时，保证了扭矩的精度。

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种基于机械功率预估的车用永磁同步电机矢量控制系统。

背景技术

在车用内置式永磁同步电机（IPMSM）控制系统中，由于实际应用场景中被控对象—IPMSM不可避免地出现变化而使得控制程序中预先固化的控制参数失效，导致电机高速运行弱磁不足引起电压饱和，危及电机驱动系统的稳定性。

内嵌式永磁同步电机具有功率密度大，运行范围宽和效率高的特点而被广泛用于电动汽车的驱动电机；其转矩方程为：

（1）

其中，为电机的电磁转矩；为电机磁极对数；为转子永磁体磁通；为q轴电流，为d轴电流；为d轴电感；为q轴电感；在IPMSM正常驱动过程中，0,0,0,。

由上式可以看出，转矩与电流成正相关，但不同的dq轴电流组合会对应不同的转矩，每个固定的电流幅值下都会有一组特定的dq电流组合使电机在该电流下能输出最大的转矩。由于磁场饱和，在电流大于某个范围后dq轴电感、随着电流的变化而变化，变化范围最大可达200%之多。这些参数的变化使得在线求解每个电流下的最优dq电流组合变得十分困难甚至不可行。因此在车用电机控制中，一般通过实验的方法测试标定得到每个转矩对应的最优电流组合。全转矩范围内的所有这样的电流组合连成的线叫做IPMSM的最大转矩电流比（MTPA）曲线。

此外，车用IPMSM的运行依赖由逆变器将动力电池的母线转换为三相交流电，这就意味着电机端电压受到直流母线的约束；IPMSM的电压方程为：

（2）

其中，为电机d轴电压，为电机q轴电压；为定子电阻，为电机的电角速度。

在高速稳态下，电机端电压的幅值近似为：

（3）

当电机转速升高时，电机端电压升高，当期超过母线电压能提供的交流电压幅值时就需要进行弱磁控制，而当前母线下能提供的最大交流电压为电压限制，表达式一般为：

其中，为母线电压，为电机控制系统最大调制比（maximum modulation index），其取值一般为1附近，最大为1.1027。

为了获得既能满足转矩方程，又能满足电压限制的电流组合，仍然通过实验的手段标定获取不同母线和转速下每个转矩对应的dq电流组合；而后将这些数据制成表格存储在数字控制芯片中，在电机实时运行时通过查表将不同转速和母线电压下的转矩指令转换成对应的dq电流指令。

上述过程能正常工作的前提是，通过对样机实验标定获取的电流组合能够适用于同款每一台电机；而在实际应用中，有以下几个方面会造成这种假设不再成立：

1.电机在批量生产时工艺、物料不可避免的会导致电机的不一致性；

2.电机的旋变偏移量产生偏差时，即使在电流调节器正常工作的情况下，也会导致控制上磁场定向偏差，进而导致电机中的实际dq电流与期望的电流指令不一致；

3.环境温度的变化会对永磁体磁链产生影响，在温度降低时，会使升高，导致标定得到的dq电流指令不再满足电压限制。

因此，为了增强电驱动控制系统的高速运行区域的鲁棒性，一般都会加入弱磁控制环节。