一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法
2023-04-30 04:25:21
一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，應用於電池、變頻器、永磁同步電機和負載組成的系統，所述變頻器的控制方法包括以下步驟：（1）、在永磁同步電機剎車期間，在滿足剎車速度曲線要求以及確保電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值的條件下，確定電壓幅值和電壓角度；（2）、基於確定的電壓幅值和電壓角度計算向永磁同步電機的輸出電壓，並向永磁同步電機輸出，實現永磁同步電機的剎車性能，本發明既實現了剎車速度曲線要求，滿足剎車性能，同時還有效保證了在永磁同步電機剎車時，電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值，保證電池的使用壽命。
【專利說明】—種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種永磁同步電機剎車控制方法，特別是一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，應用於電池、變頻器、永磁同步電機和負載組成的系統。
【背景技術】
[0002]所謂的電池供電的永磁同步電機剎車控制方法一般應用在電動車領域中。常規的電動車永磁同步電機的剎車方法一般採用機械剎車，即附加機械裝置抱死永磁同步電機轉子轉軸或其從動部件實現剎車，結構複雜、成本高，且由於磨損打滑、損壞等原因容易導致剎車失效，無法保證永磁同步電機的剎車性能，存在較大的安全隱患。考慮到以上所述機械剎車的缺點，已有直接採用由變頻器控制的電子剎車方法實現電動車的永磁同步電機剎車，即將永磁同步電機機械能先轉化為電能再轉化為熱能。但現有的電子剎車方法雖然實現了剎車速度曲線要求，但無法保證在永磁同步電機剎車時，電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值，電池很可能因此受到損壞，導致其使用壽命無法得到確保。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是提供一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，既實現剎車速度曲線要求，滿足剎車性能，同時還有效保證在永磁同步電機剎車時，電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值，保證電池的使用壽命。
[0004]本發明的技術方案為:
[0005]一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法,應用於電池、變頻器、永磁同步電機和負載組成的系統，其中:所述變頻器的控制方法包括以下步驟:
[0006](I)、在永磁同步電機剎車期間，在滿足剎車速度曲線要求以及確保電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值的條件下，確定電壓幅值和電壓角度；
[0007]( 2 )、基於確定的電壓幅值和電壓角度計算向永磁同步電機的輸出電壓，並向永磁同步電機輸出，實現永磁同步電機的剎車性能。
[0008]優選地，所述的確定電壓幅值的步驟採用速度閉環控制模式；進一步優選地，優選地，所述的速度閉環控制模式是指根據剎車速度曲線要求輸出的永磁同步電機目標速度與其實際速度之間的誤差，經過PI控制器調節後輸出，完成電壓幅值的確定。本發明所述的速度閉環控制模式是本【技術領域】的常規術語，意指變頻器以控制電機的實際轉速為目的，由PI (Proportional Integral)控制器實現,永磁同步電機的實際速度通過編碼器(或其它檢測方式)檢測。本發明所述的剎車速度曲線是按系統應用要求進行設置的。本發明所述的PI控制器具有比例調節和積分調節功能。
[0009]優選地，所述的確定電壓角度的步驟為:在永磁同步電機剎車期間，檢測永磁同步電機轉速和轉子位置，基於永磁同步電機轉速確定各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角，以及結合轉子位置，計算得到電壓角度，完成電壓角度的確定。
[0010]本發明所述的電壓角度是指永磁同步電機的定子電壓相位角。[0011]優選地，所述的確定電壓角度的步驟還包括電池電流輔助控制環節，所述的電池電流輔助控制環節輸出用於調整各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角的修正角，當電池充電電池小於或等於電池充電電流最大安全值時，修正角為零；當充電電流大於電池充電電流最大安全值時，修正角對各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角進行修正，以降低永磁同步電機的工作效率，即降低電池充電電流，從而把電池充電電流控制在其安全值範圍內，保證電池的使用壽命。
[0012]優選地，所述的基於永磁同步電機轉速確定各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角以永磁同步電機處於其最佳工作效率為控制目標，使得在滿足剎車速度曲線要求以及確保電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值的條件下，使電池最大程度地實現充電，有效延長了電池的運行時間，如負載為電動車類，則有效延長了電動車的運行裡程。
[0013]優選地，所述的電池電流輔助控制環節具體包括電池充電電流檢測、單向限幅控制和比例控制器，所述的比例控制器根據電池充電電流檢測和預先設置的電池充電電流最大安全值輸出用於調整各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角的修正角，單向限幅控制使得電池電流輔助控制環節僅在電池充電電流大於或接近電池充電電流最大安全值時器起作用，即當電池充電電池小於或等於電池充電電流最大安全值時，修正角為零；當充電電流大於電池充電電流最大安全值時，計算並確定修正角，以降低永磁同步電機的工作效率，即降低電池充電電流，從而把電池充電電流控制在其安全值範圍內，保證電池的使用壽命。
[0014]本發明所述的比例控制器也可稱為KP控制器，具有比例調節功能，即具備傳統PI控制器中的比例項功能。
[0015]優選地，通過速度檢測模塊檢測得到永磁同步電機轉速和轉子位置。所述的速度檢測模塊包括傳感器，進一步優選地，所述的傳感器可以是霍爾傳感器或位於其他位置的傳感器。
[0016]優選地，通過角度轉速表檢測得到各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角。
[0017]優選地，所述的永磁同步電機的最佳工作效率是通過測功機測試得到的。
[0018]本發明所述的永磁同步電機是公知的，核心部件包括定子和永磁磁極轉子，定子包括繞組等。進一步地，與對於本發明未涉及的解釋內容或其他技術內容相信是本領域技術人員的公知常識或慣用手段，在此不再一一文字贅述。
[0019]本發明所述的負載可以是電動自行車、電動車或混合動力汽車，也可以是其他類型。
[0020]當然，顯而易見地，本發明所述的永磁同步電機剎車控制方法根據實際需求應用與交流電源、變頻器、永磁同步電機和負載組成的系統。
[0021]本發明的工作原理和優點:
[0022]1、本發明既滿足了根據剎車速度曲線需求實現對永磁同步電機的剎車的同時，本發明還通過電池電流輔助控制環節輸出用於調整各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角的修正角，當電池充電電池小於或等於電池充電電流最大安全值時，修正角為零；當充電電流大於電池充電電流最大安全值時，修正角對各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角進行修正，以降低永磁同步電機的工作效率，即降低電池充電電流,從而把電池充電電流控制在其安全值範圍內，有效保證了電池的使用壽命。[0023]2.本發明以永磁同步電機處於其最佳工作效率為控制目標，基於永磁同步電機轉速確定各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角使得在滿足剎車速度曲線要求以及確保電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值的條件下，使電池最大程度地實現充電，有效延長了電池的運行時間，如負載為電動車類，則有效延長了電動車的運行裡程。
[0024]3.本發明提供的控制算法簡單，控制精確，容易實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]附圖1是本發明的應用系統框圖；
[0026]附圖2是本發明的變頻器與電池、永磁同步電機的連接框圖；
[0027]附圖3是本發明實施例11的剎車軟體控制算法示意圖；
【具體實施方式】
[0028]如圖1所示，本發明的應用系統由電池、變頻器、永磁同步電機和負載依次連接組成，如圖2所示，變頻器包括驅動控制晶片及其外圍電路模塊、速度檢測模塊、IGBT或IPM功率模塊，電池接入功率模塊，IGBT或IPM功率模塊由驅動控制晶片及其外圍電路控制，由驅動控制晶片及其外圍電路模塊向IGBT或IPM功率模塊輸出PWM號，IGBT或IPM功率模塊將PWM信號轉換成模擬電壓輸出給永磁同步電機,速度檢測模塊設置在永磁同步電機與驅動控制晶片及其外圍電路模塊之間，用於檢測永磁同步電機的實際速度(轉速)以及轉子位置並向驅動控制晶片及其外圍電路模塊輸出。
[0029]本發明所述變頻器的基本工作原理為:所述的驅動控制晶片及其外圍電路模塊中含有控制變頻器電壓輸出的運行軟體，以便驅動控制晶片及其外圍電路模塊根據永磁同步電機轉速通過軟體控制算法實現在滿足剎車速度曲線要求以及確保電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值的條件下，確定電壓幅值和電壓角度，驅動控制晶片及其外圍電路模塊基於確定的電壓幅值和電壓角度計算輸出電壓後，將輸出電壓以PWM信號的形式向IGBT或IPM功率模塊輸出，IGBT或IPM功率模塊將PWM信號轉換成模擬電壓輸出給永磁同步電機，最終實現電池供電的永磁同步電機剎車控制。
[0030]實施例1、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，應用於如圖1和圖2所示的電池、變頻器、永磁同步電機和負載組成的系統，其中:所述變頻器的控制方法包括以下步驟:
[0031](I)、在永磁同步電機剎車期間，在滿足剎車速度曲線要求以及確保電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值的條件下，確定電壓幅值和電壓角度；
[0032]( 2 )、基於確定的電壓幅值和電壓角度計算向永磁同步電機的輸出電壓，並向永磁同步電機輸出，實現永磁同步電機的剎車性能。
[0033]實施例2、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其中:所述的確定電壓幅值的步驟採用速度閉環控制模式，其餘同實施例1。
[0034]實施例3、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其中:所述的確定電壓角度的步驟為:在永磁同步電機剎車期間，檢測永磁同步電機轉速和轉子位置，基於永磁同步電機轉速確定各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角，以及結合轉子位置，計算得到電壓角度，完成電壓角度的確定，其餘同實施例1或實施例2。[0035]實施例4、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其中:所述的確定電壓角度的步驟還包括電池電流輔助控制環節，所述的電池電流輔助控制環節輸出用於調整各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角的修正角，當電池充電電池小於或等於電池充電電流最大安全值時，修正角為零；當充電電流大於電池充電電流最大安全值時，修正角對各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角進行修正，以降低永磁同步電機的工作效率，從而把電池充電電流控制在其安全值範圍內，保證電池的使用壽命，其餘同實施例3。
[0036]實施例5、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法,其中:所述的基於永磁同步電機轉速確定各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角以永磁同步電機處於其最佳工作效率為控制目標，其餘同實施例3或實施例4。
[0037]實施例6、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其中:所述的電池電流輔助控制環節具體包括電池充電電流檢測、單向限幅控制和比例控制器，所述的比例控制器根據電池充電電流檢測和預先設置的電池充電電流最大安全值輸出用於調整各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角的修正角，單向限幅控制使得電池電流輔助控制環節僅在電池充電電流大於或接近電池充電電流最大安全值時器起作用，即當電池充電電池小於或等於電池充電電流最大安全值時，修正角為零；當充電電流大於電池充電電流最大安全值時，計算並確定修正角，以降低永磁同步電機的工作效率，從而把電池充電電流控制在其安全值範圍內，保證電池的使用壽命，其餘同實施例4或實施例5。
[0038]實施例7、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其中:所述的速度閉環控制模式是指根據剎車速度曲線要求輸出的永磁同步電機目標速度與其實際速度之間的誤差，經過PI控制器調節後輸出，完成電壓幅值的確定，其餘同實施例2-6中的任意一種實施例。
[0039]實施例8、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其中:通過速度檢測模塊檢測得到永磁同步電機轉速和轉子位置，其餘同實施例3-7中的任意一種實施例。
[0040]實施例9、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其中:通過角度轉速表檢測得到各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角，其餘同實施例3-8中的任意一種實施例。
[0041]實施例10、一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其中:所述的永磁同步電機的最佳工作效率是通過測功機測試得到的，其餘同實施例5-9中的任意一種實施例。
[0042]實施例11、如圖3所示，一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，應用於電池、變頻器、永磁同步電機和負載組成的系統，其中:所述變頻器的控制方法包括以下步驟:
[0043](I)、在永磁同步電機剎車期間，在滿足剎車速度曲線要求以及確保電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值的條件下，確定電壓幅值和電壓角度；
[0044]所述的確定電壓幅值的步驟採用速度閉環控制模式，所述的速度閉環控制模式是指根據剎車速度曲線要求輸出的永磁同步電機目標速度與其實際速度之間的誤差，經過PI控制器調節後輸出，完成電壓幅值的確定；
[0045]所述的確定電壓角度的步驟為:在永磁同步電機剎車期間，通過速度檢測模塊檢測永磁同步電機轉速和轉子位置，基於永磁同步電機轉速確定各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角，並通過角度轉速表檢測輸出該確定的各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角；還包括電池電流輔助控制環節，所述的電池電流輔助控制環節具體包括電池充電電流檢測、單向限幅控制和比例控制器，所述的比例控制器根據電池充電電流檢測和預先設置的電池充電電流最大安全值輸出用於調整各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角的修正角，單向限幅控制使得電池電流輔助控制環節僅在電池充電電流大於或接近電池充電電流最大安全值時器起作用，即當電池充電電池小於或等於電池充電電流最大安全值時，修正角為零；當充電電流大於電池充電電流最大安全值時，計算並確定修正角，以降低永磁同步電機的工作效率，從而把電池充電電流控制在其安全值範圍內，保證電池的使用壽命；根據確定的各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角、檢測得到的轉子位置以及電池電流輔助控制環節輸出的修正角計算得到電壓角度，完成電壓角度的確定；
[0046](2)、控制晶片及其外圍電路模塊基於確定的電壓幅值和電壓角度計算輸出電壓後，輸出電壓通過控制晶片及其外圍電路模塊中的SVPMW模塊以PWM信號的形式向IGBT或IPM功率模塊輸出，IGBT或IPM功率模塊將PWM信號轉換成模擬電壓輸出給永磁同步電機，最終實現電池供電的永磁同步電機剎車控制，其餘同實施例8或實施例9或實施例10。
[0047]本實施例11附圖3所述的「 + 」和「一」為控制算法的運算符號，為本領域技術人員的常規運算符，在此不再對附圖3所披露而未進行文字說明的技術內容不再進行一一贅述，相信本領域技術人員完全能夠實現。
[0048]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，如對速度閉環控制方法、電池電流輔助控制環節的具體實現方法的等同替換做出若干改進和潤飾，同時本發明不僅局限應用於永磁同步電機，還可以應用於其他類型電機，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，應用於電池、變頻器、永磁同步電機和負載組成的系統，其特徵在於:所述變頻器的控制方法包括以下步驟: (1)、在永磁同步電機剎車期間，在滿足剎車速度曲線要求以及確保電池充電電流不超過電池充電電流最大安全值的條件下，確定電壓幅值和電壓角度； (2)、基於確定的電壓幅值和電壓角度計算向永磁同步電機的輸出電壓，並向永磁同步電機輸出，實現永磁同步電機的剎車性能。
2.如權利要求1所述的一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其特徵在於:所述的確定電壓幅值的步驟採用速度閉環控制模式。
3.如權利要求1所述的一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其特徵在於:所述的確定電壓角度的步驟為:在永磁同步電機剎車期間，檢測永磁同步電機轉速和轉子位置，基於永磁同步電機轉速確定各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角，以及結合轉子位置，計算得到電壓角度，完成電壓角度的確定。
4.如權利要求3所述的一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其特徵在於:所述的確定電壓角度的步驟還包括電池電流輔助控制環節，所述的電池電流輔助控制環節輸出用於調整各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角的修正角，當電池充電電池小於或等於電池充電電流最大安全值時，修正角為零；當充電電流大於電池充電電流最大安全值時，修正角對各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角進行修正，以降低永磁同步電機的工作效率，從而把電池充電電流控制在其安全值範圍內，保證電池的使用壽命。
5.如權利要求3或4所述的一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其特徵在於:所述的基於永磁同步電機轉速確定各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角以永磁同步電機處於其最佳工作效率為控制目標。
6.如權利要求4所述的一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其特徵在於:所述的電池電流輔助控制環節具體包括電池充電電流檢測、單向限幅控制和比例控制器，所述的比例控制器根據電池充電電流檢測和預先設置的電池充電電流最大安全值輸出用於調整各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角的修正角，單向限幅控制使得電池電流輔助控制環節僅在電池充電電流大於或接近電池充電電流最大安全值時器起作用，即當電池充電電池小於或等於電池充電電流最大安全值時，修正角為零；當充電電流大於電池充電電流最大安全值時，計算並確定修正角，以降低永磁同步電機的工作效率，從而把電池充電電流控制在其安全值範圍內，保證電池的使用壽命。
7.如權利要求2所述的一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其特徵在於:所述的速度閉環控制模式是指根據剎車速度曲線要求輸出的永磁同步電機目標速度與其實際速度之間的誤差，經過PI控制器調節後輸出，完成電壓幅值的確定。
8.如權利要求3所述的一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其特徵在於:通過速度檢測模塊檢測得到永磁同步電機轉速和轉子位置。
9.如權利要求3所述的一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其特徵在於:通過角度轉速表檢測得到各轉速點的轉子位置與電壓角度之間的夾角。
10.如權利要求5所述的一種電池供電的永磁同步電機剎車控制方法，其特徵在於:所述的永磁同步電機的最佳工作效率是通過測功機測試得到的。
【文檔編號】H02P6/24GK103490684SQ201210191116
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年6月11日 優先權日:2012年6月11日
【發明者】何志明, 周文忠, 王鐵軍, 王超 申請人:無錫艾柯威科技有限公司