本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車控制領(lǐng)域，特別涉及一種車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法。

背景技術(shù)：

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)具有寬調(diào)速范圍、大轉(zhuǎn)矩電流比、高功率密度、高效率、高功率因數(shù)和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車等工業(yè)領(lǐng)域。車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本要求是：低速時(shí)要求能輸出大的轉(zhuǎn)矩，以滿足起動(dòng)、加速和爬坡等性能要求；高速時(shí)要求能實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速范圍，以滿足高速行駛、超車等性能要求。

車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在低速恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行階段常見(jiàn)的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法有查表法和曲線擬合法。由于查表法實(shí)時(shí)性和真實(shí)性差，計(jì)算復(fù)雜，占用大量存儲(chǔ)單元，不便于工程實(shí)現(xiàn)，故在工程實(shí)踐中常采用曲線擬合算法。然而，采用曲線擬合算法時(shí)由于交軸電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式不易求解，運(yùn)算數(shù)據(jù)量大，流程相對(duì)復(fù)雜，且其關(guān)系式受轉(zhuǎn)子磁鏈，交直軸電感等一些可變參數(shù)影響，反解出來(lái)的擬合曲線受到可變參數(shù)的影響較大。

車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在高速恒功率運(yùn)行階段常采用弱磁調(diào)速控制方法。比較常見(jiàn)的弱磁控制策略有公式計(jì)算法、梯度下降法、查表法和超前角弱磁法等。

各種弱磁方法解決的主要問(wèn)題包括：避免電流調(diào)節(jié)器的飽和；使電機(jī)可以在恒轉(zhuǎn)矩與恒功率區(qū)域之間平穩(wěn)過(guò)度；提高直流母線電壓的利用率；避免電機(jī)參數(shù)的改變可能對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響；避免交直軸電流之間的相互耦合等?？紤]到運(yùn)算成本、穩(wěn)定性和弱磁效率等綜合因數(shù)，在各種弱磁方法中，超前角弱磁方法是較易于實(shí)現(xiàn)的一種可靠的廣泛應(yīng)用的弱磁方法，故本發(fā)明對(duì)此方法展開(kāi)研究及改進(jìn)來(lái)提升其弱磁效率。超前角方法可以增強(qiáng)電機(jī)的魯棒性能、提高逆變器直流母線電壓的利用率，使電機(jī)可以平穩(wěn)地在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)域之間進(jìn)行切換。但該方法沒(méi)有對(duì)電流反向的情況進(jìn)行考慮，當(dāng)轉(zhuǎn)速或負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)向給定導(dǎo)致電機(jī)電流反向時(shí)系統(tǒng)將失控；且沒(méi)有對(duì)電流的幅值進(jìn)行限制，當(dāng)電壓升高引起電流調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)性能將迅速惡化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法，以解決上述問(wèn)題。

本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、根據(jù)具體電機(jī)參數(shù)，建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，其中包括電壓方程模型、電磁轉(zhuǎn)矩方程模型和轉(zhuǎn)矩平衡方程模型；

步驟二、基于轉(zhuǎn)速誤差，設(shè)計(jì)滑模面和滑?？刂坡?，對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)滑模控制；

步驟三、基于電磁轉(zhuǎn)矩值te，以最大轉(zhuǎn)矩電流比策略為依據(jù)，分解得到交軸電流iq和直軸電流id；

步驟四、基于交軸電流iq、直軸電流id、直流母線電壓udc、交直軸電壓給定u'q和u'd，以弱磁模型為依據(jù)分解得到交直軸電流給定值和

步驟五、基于交直軸電流給定值和經(jīng)電流環(huán)抗飽和調(diào)節(jié)器和電壓前饋解耦環(huán)節(jié)共同作用分解得到交直軸電壓給定u'q和u'd；

步驟六、基于電壓給定u'q和u'd，經(jīng)坐標(biāo)變換得到兩相靜止電壓uα和uβ，以u(píng)α和uβ為輸入，經(jīng)過(guò)調(diào)制模型后得到三相給定電壓ua、ub、uc驅(qū)動(dòng)逆變器和電機(jī)工作。

進(jìn)一步，本發(fā)明的車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法，還可以具有這樣的特征：

步驟一中，

定子電壓方程為：

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中，rs—定子電阻；p＝d/dt—微分算子；id，iq；ld，lq—直軸和交軸電流及電感；ωe＝np·ωr—ωe為電角速度，np為電機(jī)極對(duì)數(shù)，ωr為機(jī)械角速度；ψf—轉(zhuǎn)子永磁體與定子繞組交鏈的磁鏈，

三相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程如下：

進(jìn)一步，本發(fā)明的車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法，還可以具有這樣的特征：令e為轉(zhuǎn)速誤差，則由公式(3)可得：

式中為轉(zhuǎn)速誤差的變化率，為轉(zhuǎn)速誤差的二階導(dǎo)，令則公式(4)可整理為：

設(shè)計(jì)滑模面為其中c必須滿足hurwitz條件，即c＞0，根據(jù)李雅普洛夫穩(wěn)定性判據(jù)，當(dāng)v正定并具有連續(xù)的一階偏導(dǎo)數(shù)，而v的一階偏導(dǎo)數(shù)半負(fù)定，那么它就是穩(wěn)定的，定義李雅普洛夫函數(shù)為則為保證設(shè)計(jì)滑模控制律為：

進(jìn)一步，本發(fā)明的車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法，還可以具有這樣的特征：步驟三中，

依據(jù)以下式(7)和式(8)建立最大轉(zhuǎn)矩電流比模型，

進(jìn)一步，本發(fā)明的車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法，還可以具有這樣的特征：步驟四中、比較與的大小來(lái)決定系統(tǒng)的運(yùn)行階段，當(dāng)時(shí)，說(shuō)明此時(shí)電機(jī)端電壓小于電壓極限值usmax，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略；當(dāng)時(shí)，說(shuō)明此時(shí)電機(jī)端電壓達(dá)到極限值usmax，采用弱磁控制策略，當(dāng)時(shí)，取其差值經(jīng)積分調(diào)節(jié)器輸出角度θ(-π/2到0之間)后重新分配iq的電流，使原來(lái)的iq一部分作為id的去磁分量，同時(shí)自身分量也減小，實(shí)現(xiàn)弱磁升速。

進(jìn)一步，本發(fā)明的車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法，還可以具有這樣的特征：步驟五中，

(b)電壓前饋解耦

根據(jù)公式(1)得到

式中—直軸電流變化率；

—交軸電流變化率，

由式(9)可以看出id和iq是相互耦合的，是一種非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不能被d、q軸單獨(dú)控制，如果ld和lq較大，隨著轉(zhuǎn)速的上升這種耦合會(huì)對(duì)電流和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)帶來(lái)影響，為了獨(dú)立控制id和iq，本發(fā)明采用前饋補(bǔ)償?shù)霓k法對(duì)id和iq進(jìn)行解耦，

定義補(bǔ)償電壓公式為

式中u'd為補(bǔ)償后的直軸電壓值；u'q為補(bǔ)償后的交軸電壓值，

將公式(10)帶入公式(9)得到

進(jìn)一步，本發(fā)明的車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法，還可以具有這樣的特征：步驟六中，

在實(shí)際過(guò)程中，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在弱磁階段時(shí)，給定電壓一般較大，因此會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制時(shí)需對(duì)tx、ty進(jìn)行調(diào)整，為了進(jìn)一步提高對(duì)逆變器直流母線電壓的利用率，提高弱磁升速寬度，本發(fā)明采用一種svpwm過(guò)調(diào)制方法對(duì)直流母線電壓進(jìn)行逆變，具體如下所示，(a)tx＞ty時(shí)

當(dāng)tx+ty/2＞ts時(shí)，說(shuō)明在多邊形外面，此時(shí)tx＝ts，ty＝0；

當(dāng)tx+ty/2＜ts并且tx+ty＞ts時(shí)說(shuō)明過(guò)調(diào)制，此時(shí)tx'＝[tx/(tx+ty)]·ts，ty'＝[ty/(tx+ty)]·ts；

當(dāng)tx+ty/2＜ts并且tx+ty＜ts時(shí)說(shuō)明沒(méi)有過(guò)調(diào)制，此時(shí)tx＝tx,ty＝ty，

(b)tx＜ty時(shí)

當(dāng)tx/2+ty＞ts時(shí)，說(shuō)明在多邊形外面，此時(shí)tx＝0,ty＝ts；

當(dāng)tx/2+ty＜ts并且tx+ty＞ts時(shí)說(shuō)明過(guò)調(diào)制，此時(shí)tx'＝[tx/(tx+ty)]·ts，ty'＝[ty/(tx+ty)]·ts；

當(dāng)tx/2+ty＜ts并且tx+ty＜ts時(shí)說(shuō)明沒(méi)有過(guò)調(diào)制，此時(shí)tx＝tx,ty＝ty，

其中，tx為期望電壓矢量下部相鄰軸上的電壓分量；ty為期望電壓矢量上部相鄰軸上的電壓分量；ts為采用周期。

發(fā)明的有益效果

本發(fā)明的車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制方法，針對(duì)低速階段存在的控制問(wèn)題，本發(fā)明采用反饋的思想，將轉(zhuǎn)速誤差作為轉(zhuǎn)速外環(huán)滑?？刂破鞯妮斎?，通過(guò)滑模算法的設(shè)計(jì)分解出電磁轉(zhuǎn)矩作為控制器的輸出，然后利用交軸電流和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系分解出交軸電流，再利用直軸電流和交軸電流之間的關(guān)系分解出直軸電流分別進(jìn)行控制，不僅省去了大量數(shù)學(xué)運(yùn)算，還能夠?qū)﹄娏骱娃D(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

針對(duì)高速階段超前角弱磁方法的不足，在高速階段本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的弱磁方法對(duì)電機(jī)全頻率范圍內(nèi)的電流進(jìn)行分配。在考慮電流反向的同時(shí)通過(guò)對(duì)交直軸電流的有效分配產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的去磁電流，保證電機(jī)在任何工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。并且，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的弱磁環(huán)節(jié)有效地解決了定子電流的限幅問(wèn)題以及恒轉(zhuǎn)矩與恒功率區(qū)域之間平穩(wěn)過(guò)渡的問(wèn)題。

同時(shí)，為提升整個(gè)弱磁控制系統(tǒng)的控制性能，本發(fā)明還采取以下綜合措施來(lái)提升控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。在基速以上弱磁運(yùn)行階段，為了防止電流環(huán)可能出現(xiàn)的飽和現(xiàn)象，在電流環(huán)采用位置式抗飽和積分控制器替代傳統(tǒng)pi調(diào)節(jié)器；引入電壓前饋解耦環(huán)節(jié)消除交直軸電流的耦合問(wèn)題可能對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)的影響；采用一種過(guò)調(diào)制算法來(lái)提高直流母線電壓的利用率。為了提高電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，同時(shí)為了減弱電機(jī)參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)速環(huán)滑模變結(jié)構(gòu)的控制器替代傳統(tǒng)pi控制器。通過(guò)以上綜合措施來(lái)提升本發(fā)明所設(shè)計(jì)的車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁矢量控制系統(tǒng)的弱磁性能和控制性能，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車的穩(wěn)定性與安全性。

附圖說(shuō)明

圖1是滑?？刂破鞯脑韴D；

圖2是最大轉(zhuǎn)矩電流比算法原理圖；

圖3是弱磁部分設(shè)計(jì)原理圖；

圖4是位置式抗飽和pi調(diào)節(jié)器原理圖；

圖5是前饋角耦框圖；

圖6是過(guò)調(diào)制實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖7是基于滑模變結(jié)構(gòu)的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁矢量控制系統(tǒng)圖；

圖8轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)的轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際值；

圖9轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)的弱磁角度輸出值；

圖10轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出值；

圖11轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)無(wú)抗飽和控制器時(shí)的轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際值；

圖12轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)無(wú)抗飽和控制器時(shí)的弱磁角度值；

圖13轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)無(wú)抗飽和控制器時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出值；

圖14轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到-5000rad/s時(shí)的轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際值；

圖15轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到-5000rad/s時(shí)的弱磁角度輸出值；

圖16轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到-5000rad/s時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出值；

圖17轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)轉(zhuǎn)矩給定為5到-10時(shí)的轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際值；

圖18轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)轉(zhuǎn)矩給定為5n·m到-10n·m時(shí)的弱磁角度輸出值；

圖19轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)轉(zhuǎn)矩給定為5n·m到-10n·m時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出值。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

本發(fā)明的車載內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁矢量控制系統(tǒng)，包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)具體電機(jī)參數(shù)，建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，其中包括電壓方程模型、電磁轉(zhuǎn)矩方程模型和轉(zhuǎn)矩平衡方程模型。

定子電壓方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

式中，rs—定子電阻；p＝d/dt—微分算子；id，iq；ld，lq—直軸和交軸電流及電感；ωe＝np·ωr—ωe為電角速度，np為電機(jī)極對(duì)數(shù)，ωr為機(jī)械角速度；ψf—轉(zhuǎn)子永磁體與定子繞組交鏈的磁鏈。

三相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程如下：

步驟二、基于轉(zhuǎn)速誤差，設(shè)計(jì)滑模面和滑?？刂坡?，對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)滑?？刂?/p>

令e為轉(zhuǎn)速誤差，則由公式(3)可得：

式中為轉(zhuǎn)速誤差的變化率，為轉(zhuǎn)速誤差的二階導(dǎo)。令則公式(4)可整理為：

設(shè)計(jì)滑模面為其中c必須滿足hurwitz條件，即c＞0。根據(jù)李雅普洛夫穩(wěn)定性判據(jù)，當(dāng)v正定并具有連續(xù)的一階偏導(dǎo)數(shù)，而v的一階偏導(dǎo)數(shù)半負(fù)定，那么它就是穩(wěn)定的。定義李雅普洛夫函數(shù)為則為保證設(shè)計(jì)滑?？刂坡蔀椋?/p>

滑?？刂破髟O(shè)計(jì)如圖1所示。

步驟三、基于電磁轉(zhuǎn)矩值te，以最大轉(zhuǎn)矩電流比策略為依據(jù)，分解得到交軸電流iq和直軸電流id,

依據(jù)以下式(7)和式(8)建立最大轉(zhuǎn)矩電流比模型。

本發(fā)明根據(jù)式(7)和(8)搭建仿真模型分解出id和iq分別進(jìn)行控制，最大轉(zhuǎn)矩電流比模型設(shè)計(jì)如圖2所示。

步驟四、基于交軸電流iq、直軸電流id、直流母線電壓udc、交直軸電壓給定u'q和u'd，以弱磁模型為依據(jù)分解得到交直軸電流給定值和

弱磁原理設(shè)計(jì)如圖3所示，通過(guò)比較與的大小來(lái)決定系統(tǒng)的運(yùn)行階段。當(dāng)時(shí)，說(shuō)明此時(shí)電機(jī)端電壓小于電壓極限值usmax，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略。當(dāng)時(shí)，說(shuō)明此時(shí)電機(jī)端電壓達(dá)到極限值usmax，采用弱磁控制策略。當(dāng)時(shí)，取其差值經(jīng)積分調(diào)節(jié)器輸出角度θ(-π/2到0之間)后重新分配iq的電流，使原來(lái)的iq一部分作為id的去磁分量，同時(shí)自身分量也減小，從而達(dá)到弱磁升速目的。

步驟五、基于交直軸電流給定值和經(jīng)電流環(huán)抗飽和調(diào)節(jié)器和電壓前饋解耦環(huán)節(jié)共同作用分解得到交直軸電壓給定u'q和u'd。

(a)抗飽和pi調(diào)節(jié)器

當(dāng)調(diào)節(jié)器出現(xiàn)某個(gè)方向的誤差時(shí)，由于積分的累計(jì)，調(diào)節(jié)器的輸出會(huì)持續(xù)加大，在某一時(shí)刻使執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置。若此時(shí)調(diào)節(jié)器輸出繼續(xù)加大，其輸出值就將飽和。當(dāng)反向誤差出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出值就開(kāi)始從飽和區(qū)退出。但此時(shí)由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到其極限位置，不能立即隨反向誤差的出現(xiàn)做出改變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能迅速惡化。當(dāng)飽和方向與其誤差方向同方向時(shí)系統(tǒng)不能自行退出飽和，這時(shí)可以將控制器輸出值和其限幅后的輸出值的差值乘以退飽和系數(shù)kc與原來(lái)的積分輸入誤差值作差作為新的積分輸入，從而減小積分誤差，進(jìn)而減少積分量，最終退出飽和。積分補(bǔ)償器設(shè)計(jì)如圖4所示。

(b)電壓前饋解耦

根據(jù)公式(1)得到

式中—直軸電流變化率；

—交軸電流變化率。

由式(9)可以看出id和iq是相互耦合的，是一種非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不能被d、q軸單獨(dú)控制，如果ld和lq較大，隨著轉(zhuǎn)速的上升這種耦合會(huì)對(duì)電流和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)帶來(lái)影響，為了獨(dú)立控制id和iq，本發(fā)明采用前饋補(bǔ)償?shù)霓k法對(duì)id和iq進(jìn)行解耦。

定義補(bǔ)償電壓公式為

式中u′d—補(bǔ)償后的直軸電壓值；

u′q—補(bǔ)償后的交軸電壓值。

將公式(10)帶入公式(9)得到

從公式(11)可以看出，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的狀態(tài)方程沒(méi)有耦合。電流環(huán)前饋解耦模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。

步驟六、基于電壓給定u'q和u'd，經(jīng)坐標(biāo)變換得到兩相靜止電壓uα和uβ，以u(píng)α和uβ為輸入，經(jīng)過(guò)調(diào)制模型后得到三相給定電壓ua、ub、uc驅(qū)動(dòng)逆變器和電機(jī)工作。

在實(shí)際過(guò)程中，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在弱磁階段時(shí)，給定電壓一般較大，因此會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制時(shí)需對(duì)tx、ty進(jìn)行調(diào)整。為了進(jìn)一步提高對(duì)逆變器直流母線電壓的利用率，提高弱磁升速寬度，本發(fā)明采用一種svpwm過(guò)調(diào)制方法對(duì)直流母線電壓進(jìn)行逆變，具體如下所示。(a)tx＞ty時(shí)

當(dāng)tx+ty/2＞ts時(shí)，說(shuō)明在多邊形外面，此時(shí)tx＝ts，ty＝0；

當(dāng)tx+ty/2＜ts并且tx+ty＞ts時(shí)說(shuō)明過(guò)調(diào)制，此時(shí)tx'＝[tx/(tx+ty)]·ts，ty'＝[ty/(tx+ty)]·ts；

當(dāng)tx+ty/2＜ts并且tx+ty＜ts時(shí)說(shuō)明沒(méi)有過(guò)調(diào)制，此時(shí)tx＝tx,ty＝ty。

(b)tx＜ty時(shí)

當(dāng)tx/2+ty＞ts時(shí)，說(shuō)明在多邊形外面，此時(shí)tx＝0,ty＝ts；

當(dāng)tx/2+ty＜ts并且tx+ty＞ts時(shí)說(shuō)明過(guò)調(diào)制，此時(shí)tx'＝[tx/(tx+ty)]·ts，ty'＝[ty/(tx+ty)]·ts；

當(dāng)tx/2+ty＜ts并且tx+ty＜ts時(shí)說(shuō)明沒(méi)有過(guò)調(diào)制，此時(shí)tx＝tx,ty＝ty。

其中，tx為期望電壓矢量下部相鄰軸上的電壓分量；ty為期望電壓矢量上部相鄰軸上的電壓分量；ts為采用周期。

svpwm過(guò)調(diào)制仿真實(shí)現(xiàn)流程圖見(jiàn)圖6所示。

以下列電機(jī)模型為例，闡述本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)用。

母線電壓udc＝600v，載波時(shí)間t＝0.0001s，直軸電感l(wèi)d＝0.004h，交軸電感l(wèi)q＝0.008h，定子電阻rs＝2.875ω，轉(zhuǎn)子磁鏈ψf＝0.175wb，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j＝0.029kg·m²，粘性阻尼系數(shù)f＝0n·m·s，極對(duì)數(shù)np＝2，最大電壓最大電流ismax＝80a，負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl為0.4s時(shí)5n·m到10n·m的階躍，仿真時(shí)間設(shè)為1.8s。基于滑模變結(jié)構(gòu)的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁矢量系統(tǒng)總框圖如圖7所示。

圖8是轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)的轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際值，圖9顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)的弱磁角度輸出值，圖10顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出值。

圖8到圖10分別是轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)的pi控制器及滑?？刂破骺刂频谋緦＠岢龅娜醮欧椒?，pi控制器及滑?？刂破骺刂频膫鹘y(tǒng)超前角弱磁方法轉(zhuǎn)速給定值與實(shí)際值、弱磁角度及電磁轉(zhuǎn)矩輸出值。

在相同工況下，角度負(fù)的越多的系統(tǒng)說(shuō)明其端電壓超過(guò)最大電壓越多，弱磁程度越深，所需要的輸出轉(zhuǎn)矩更大，系統(tǒng)對(duì)直流母線電壓利用率越低，系統(tǒng)弱磁性能越差。

從圖8到圖10中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，采用滑?？刂破骷皃i控制器控制的本發(fā)明提出的弱磁系統(tǒng)的角度輸出絕對(duì)值，分別比采用滑?？刂破骷皃i控制器控制的傳統(tǒng)超前角弱磁系統(tǒng)的輸出絕對(duì)值要小，且本發(fā)明滑?？刂破骷皃i控制器控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟隨分別比超前角滑模控制器及pi控制器系統(tǒng)更加平滑，轉(zhuǎn)矩輸出分別比超前角滑模控制器及pi控制器系統(tǒng)更小，說(shuō)明了本發(fā)明提出的弱磁方法的有效性。

在相同工況下，本發(fā)明滑?？刂破飨到y(tǒng)和超前角滑?？刂破飨到y(tǒng)的角度輸出絕對(duì)值要小，分別比本發(fā)明pi控制器系統(tǒng)和超前角pi控制器系統(tǒng)的角度輸出絕對(duì)值要小，且兩種滑?？刂破飨到y(tǒng)分別比兩種pi控制器系統(tǒng)轉(zhuǎn)速輸出更加平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩輸出更小，說(shuō)明了滑?？刂品椒▽?duì)提高弱磁性能的有效性。

圖11到圖13分別是轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)滑?？刂破骺刂频谋景l(fā)明提出的弱磁方法有無(wú)抗飽和積分器時(shí)轉(zhuǎn)速給定值與實(shí)際值、弱磁角度及電磁轉(zhuǎn)矩輸出值。圖11顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)無(wú)抗飽和控制器時(shí)的轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際值；圖12顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)無(wú)抗飽和控制器時(shí)的弱磁角度值；圖13顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)無(wú)抗飽和控制器時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出值。

從圖11到圖13可以看出，在相同工況下，滑?？刂破骺刂频谋景l(fā)明提出的弱磁系統(tǒng)去掉抗飽和控器后的弱磁角度輸出絕對(duì)值比原系統(tǒng)大，且去掉抗飽和控制器后啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩變大，轉(zhuǎn)速變得不平滑，說(shuō)明了電流環(huán)抗飽和控制器對(duì)提高弱磁性能的有效性。

圖14到圖16分別是改變轉(zhuǎn)速給定為0.2s從600rad/s到-5000rad/s的階躍時(shí)上述4種系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定值與實(shí)際值、弱磁角度及電磁轉(zhuǎn)矩輸出值。圖17到圖19分別是上述4種系統(tǒng)轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.4s時(shí)5n·m到-10n·m的階躍時(shí)轉(zhuǎn)速給定值與實(shí)際值、弱磁角度及電磁轉(zhuǎn)矩輸出值。圖14顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到-5000rad/s時(shí)的轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際值；圖15顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到-5000rad/s時(shí)的弱磁角度輸出值；圖16顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到-5000rad/s時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出值；圖17顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)轉(zhuǎn)矩給定為5n·m到-10n·m時(shí)的轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際值；圖18顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)轉(zhuǎn)矩給定為5n·m到-10n·m時(shí)的弱磁角度輸出值；圖19顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?00rad/s到5000rad/s時(shí)轉(zhuǎn)矩給定為5n·m到-10n·m時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出值。

從圖14到圖19可以看出在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反向給定的外部擾動(dòng)下，在相同工況下滑?？刂破骷皃i控制器控制的本發(fā)明提出的弱磁系統(tǒng)仍能平穩(wěn)運(yùn)行，而滑模控制器及pi控制器控制的傳統(tǒng)超前角系統(tǒng)已失去控制。

根據(jù)以上分析可得到以下結(jié)論：①通過(guò)和pi控制器的仿真對(duì)比，說(shuō)明了滑?？刂破鲗?duì)提高內(nèi)置式永磁同步電機(jī)運(yùn)行性能的有效性。②通過(guò)和無(wú)抗飽和控制器系統(tǒng)的仿真對(duì)比，說(shuō)明電流環(huán)抗飽和控制器對(duì)于提高內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁性能的有效性。③通過(guò)和傳統(tǒng)超前角弱磁系統(tǒng)的仿真對(duì)比，說(shuō)明本發(fā)明提出的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁系統(tǒng)的有效性。

本發(fā)明的有益效果是：①在低速階段設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制算法，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩和電流的關(guān)系，在滿足電動(dòng)汽車低速運(yùn)行階段性能的同時(shí)減小定子電流輸出，降低損耗。②在高速階段研究弱磁控制算法，設(shè)計(jì)了一個(gè)可靠的弱磁系統(tǒng)來(lái)提高弱磁效率，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)速和磁通的關(guān)系，通過(guò)降低磁通達(dá)到升高轉(zhuǎn)速的目的，以滿足電動(dòng)汽車在高速運(yùn)行過(guò)程中的性能要求。所設(shè)計(jì)的弱磁方法能保證電機(jī)在任何工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，該弱磁方法有效地解決了定子電流的限幅問(wèn)題以及恒轉(zhuǎn)矩與恒功率區(qū)域之間平穩(wěn)過(guò)渡的問(wèn)題。③針對(duì)高速弱磁控制時(shí)交直軸電流間的相互耦合以及交直軸電流的飽和問(wèn)題，為防止高速運(yùn)行階段電流環(huán)可能出現(xiàn)的電流飽和及交直軸電流間的相互耦合對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，本發(fā)明對(duì)位置式抗飽和算法和前饋解耦算法進(jìn)行研究，保證電動(dòng)汽車高速運(yùn)行階段的穩(wěn)定性。④為保證整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性，提高轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的響應(yīng)速度，提高控制精度，本發(fā)明對(duì)滑模算法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速外環(huán)滑模調(diào)節(jié)器。

預(yù)計(jì)發(fā)明推廣應(yīng)用的可行性及前景

可以向國(guó)內(nèi)外推廣。隨著新能源汽車的日益普及，電動(dòng)汽車高速弱磁控制水平顯得越來(lái)越重要，是電動(dòng)汽車性能好壞的重要體現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外各大新能源汽車制造商都把電動(dòng)汽車弱磁效率作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)。

本發(fā)明技術(shù)主要圍繞如何提升電動(dòng)汽車弱磁效率，保證電動(dòng)汽車運(yùn)行的安全性，具有較廣泛的推廣價(jià)值。