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1、(10)申请公布号 CN 102403953 A (43)申请公布日 2012.04.04 C N 1 0 2 4 0 3 9 5 3 A *CN102403953A* (21)申请号 201110432408.2 (22)申请日 2011.12.21 H02P 21/14(2006.01) H02P 27/06(2006.01) (71)申请人中国东方电气集团有限公司 地址 610036 四川省成都市金牛区蜀汉路 333号 (72)发明人郑刚 况明伟 任亚辉 张登 (74)专利代理机构成都天嘉专利事务所(普通 合伙) 51211 代理人方强 (54) 发明名称 一种电动车交流异步驱动电机的柔。
2、性控制系 统和方法 (57) 摘要 本发明涉及新能源汽车的智能控制技术，具 体是一种电动车交流异步驱动电机的柔性控制系 统和方法，转速控制器ASR的输出端和电压控制 器AVR控制器的输出端均与反向PI控制器的输 入端连接，反向PI控制器的限幅阈值动态实时可 调；所述反向PI控制器的输入端接入限幅阈值运 算器；由限幅阈值运算器得出转速控制器ASR或 者电压控制器AVR的限幅阈值最大值或限 幅阈值最小值，然后与控制器的控制量c比 较，通过反向PI控制器处理调整，使得控制量c满 足，从而可以实现控制量在电动车 工况切换时不会产生跳变，避免了状态切换开关， 控制结构简单清晰，控制效果的平稳性更好。 (。
3、51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 7 页 附图 3 页 CN 102403957 A 1/3页 2 1.一种电动车交流异步驱动电机的柔性控制系统，其特征在于包括： 转速控制器ASR，用于控制电动车交流异步驱动电机的实时转速的大小跟踪上参考设 定转速； 电压控制器AVR，用于控制电动车交流异步驱动电机的实时磁链的大小跟踪上电机的 额定磁链； 反向PI控制器，用于转速控制器ASR或电压控制器AVR中的最大限幅值或最小限幅值 产生跳变时平滑输出； 限幅阈值运算器，用于得出转速控制器ASR或电压控制器AVR的限幅阈值的最大值 。
4、和限幅阈值的最小值，最大值和最小值实时改变； 转速控制器ASR的输出端和电压控制器AVR控制器的输出端均与反向PI控制器的输 入端连接，反向PI控制器的限幅阈值动态实时可调；所述反向PI控制器的输入端接入限幅 阈值运算器。 2.根据权利要求1所述的柔性控制系统，其特征在于：所述转速控制器ASR和电压控 制器AVR均采用限幅阈值可随电动车工况状态量变化的控制器。 3.一种电动车交流异步驱动电机的柔性控制方法，其特征在于： 在电动车的转速恒定、加速过载、高速弱磁三种工况切换过程中，转速控制器ASR或电 压控制器AVR的控制量为c； 将控制量c与限幅阈值运算器得出的限幅阈值最大值和限幅阈值最小值进行。
5、 比较； 比较得到，当控制量c不满足并产生限幅偏差时，则通过反向PI控制器 对具有限幅偏差的控制量c作用，产生负反馈并叠加到正向PI控制器的输出上面； 经过反向PI控制器调整后，使得控制量c增大或减小到满足时，反向PI控 制器停止工作，则实现了将转速恒定、加速过载、高速弱磁三种工况的切换都转换为转速控 制器ASR或电压控制器AVR的限幅阈值的改变。 4.根据权利要求3所述的柔性控制方法，其特征在于：所述控制量c与限幅阈值的运 算器得出的限幅阈值最大值与限幅阈值最小值进行比较的具体过程如下： 当控制量满足条件时，限幅偏差值为0，反向PI控制器不工作，整个限 幅阈值可随电动车工况状态量变化的控制器。
6、相当于一个普通的PI控制器； 当控制量时，限幅偏差，限幅偏差经过反向PI控制器作用后 作为负反馈叠加到正向PI控制器的输出上面，使得限幅阈值可随电动车工况状态量变化 的控制器最终输出的控制量减小，减小到控制量满足时，反向PI控制器停 止工作； 当控制量时，限幅偏差，限幅偏差经过反向PI控制器作用后 作为负反馈叠加到正向PI控制器的输出上面，使得限幅阈值可随电动车工况状态量变化 的控制器最终输出的控制量增大，增大到控制量满足时，反向PI控制器停 权 利 要 求 书CN 102403953 A CN 102403957 A 2/3页 3 止工作。 5.根据权利要求4所述的柔性控制方法，其特征在于：。
7、所述限幅阈值运算器给出转速 控制器ASR的当前可输出转矩的最大值与最小值分别作为该控制器限幅阈值的 最大值与最小值。 6.根据权利要求5所述的柔性控制方法，其特征在于：当前可输出转矩最大值的 计算公式为： 其中为电机转速，为电池最大输出功率，是最大电池输出功率对应的转矩 值；为最大正向驱动功率，为最大正向驱动功率对应的转矩值；为电机额定转矩， 为最大过载倍数，。 7.根据权利要求5所述的柔性控制方法，其特征在于：当前可输出转矩最小值的 计算公式为： 其中为电动车最大反向驱动功率，是最大反向驱动功率对应的转矩值，最大 反向驱动转矩。 8.根据权利要求4所述的柔性控制方法，其特征在于：所述限幅阈值。
8、运算器给出电压 控制器AVR的可输出当前转子磁链的最大值与最小值分别作为该控制器限幅阈 值的最大值与最小值，同时，该运算器还计算出高速弱磁工况下的转矩限制值。 9.根据权利要求8所述的柔性控制方法，其特征在于：当前最大转子磁链的计算公式 为：，其中， 权 利 要 求 书CN 102403953 A CN 102403957 A 3/3页 4 为功率限制下的最大转子磁链，为等效互感，为感应电机最大安全运行电 流，为实际同步转速，为定子自感，为总漏感，为母线实际电压， 为电压 限制下的最大转子磁链，为额定转子磁链，表示可加在电机上的最大相电压。 10.根据权利要求9所述的柔性控制方法，其特征在于：。
9、高速弱磁工况时，弱磁限制下 的最大转矩值的计算公式如下： 其中为电机极对数，为转子自感，为弱磁限制下的最大转矩值； 当前转子磁链的最小值。 权 利 要 求 书CN 102403953 A CN 102403957 A 1/7页 5 一种电动车交流异步驱动电机的柔性控制系统和方法 技术领域 0001 本发明涉及新能源汽车的智能控制技术，具体是一种电动车交流异步驱动电机的 柔性控制系统和方法。 背景技术 0002 全球性的石油危机和日益恶化的环境污染是21世纪人类面临的重要问题，而在 我国这一问题显得尤为突出。用电动车代替传统内燃机车是解决这些问题的有效方法，也 是现代汽车行业发展的必然趋势。 0。
10、003 在电动车的发展过程中，车身设计、驱动系统、能源系统和能量管理系统已成为四 大关键技术，其中驱动系统扮演着至关重要的角色。目前电动车电机驱动系统主要包括异 步电机和永磁同步电机的驱动系统，也有部分采用了开关磁阻电机组成的交流驱动系统。 这几种系统各有特色，但是针对应用最为广泛的交流异步电机驱动系统，交流异步电机具 有结构简单、坚固耐用、成本低廉、转速极限高等优点。 0004 电动车电机驱动系统控制策略的核心是根据驾驶员动作分析其驾驶意图，并综合 考虑动力系统状态，得到期望转矩然后向电机驱动系统发出指令，使行驶状态尽可能快速、 准确地达到工况要求和满足驾驶员的驾驶目的。在此过程中为满足驾驶。
11、员对舒适性的要 求，控制策略的选取必须保证在整个电驱动调速范围内转速能够平稳的变化。此外，由于电 动车工作在恒定速度、加速过载、高速弱磁等工况时的控制参数及控制目标有着明显差异， 这样就导致了在进行工况切换的过程中电机容易产生转速波动。如何能实现在工况切换时 保证电动车速度的平稳变化已成为目前急需解决的问题。 0005 矢量控制作为现今技术最成熟、实用性最强、运用最为广泛的电动车电机控制方 法，其基本原理是通过采集电机三相电流，经过坐标变换、磁链观测等一系列变换处理得到 控制所需的实际反馈量，然后结合驾驶员踏板输入的转速指令，利用转速、转矩和磁链控制 器的调节得到控制PWM输出的两相静止电压，。
12、采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）的方法得到 三相正弦电压输出控制电机的运行。 0006 虽然传统的矢量控制方法已经能够控制电动车电机的正常运行，但当输入信号阶 跃变化或在工况切换的时候，电机转速会出现波动。这样的波动会给驾驶员带来冲击感，同 时也影响电动车电驱动系统的稳定性和效率。 0007 为解决此问题，本专利提出了一种柔性控制的策略，该策略采用一个统一的控制 器将电动车的转速恒定、加速过载、高速弱磁三种工况的切换转化为对控制量输出限幅阈 值的改变，而控制的核心部分本身采用统一的控制策略。这种柔性控制不但继承了传统矢 量控制原有的优点，更避免了在工况的切换时带来的转速波动，提高了控制的平稳。
13、性。 发明内容 0008 本发明旨在传统的电动车电机矢量控制的基础上，结合平稳性及柔顺性等因素， 提出了一种电动车交流异步驱动电机的柔性控制系统和方法，解决工况切换过程中控制参 说 明 书CN 102403953 A CN 102403957 A 2/7页 6 数及控制目标的突变而引起的转速波动的问题，采用统一的控制器将电动车的转速恒定、 加速过载、高速弱磁三种工况的切换转化为对控制量输出限幅阈值的改变，避免了在工况 的切换时带来的转速波动，提高控制的平稳性。 0009 为实现上述目的，本发明技术方案如下： 一种电动车交流异步驱动电机的柔性控制系统，其特征在于包括： 转速控制器ASR，用于控制。
14、电动车交流异步驱动电机的实时转速的大小跟踪上参考设 定转速； 电压控制器AVR，用于控制电动车交流异步驱动电机的实时磁链的大小跟踪上电机的 额定磁链； 反向PI控制器（反向比例积分控制器），用于转速控制器ASR或电压控制器AVR中的最 大限幅值或最小限幅值产生跳变时平滑输出；该反向PI控制器在限幅值不变时，由于输入 端为0所以输出为0；当转速控制器ASR或电压控制器AVR的限幅值突变时，所述反向PI控 制器产生一个输出来补偿转速控制器ASR或电压控制器AVR的输出，使转速控制器ASR或 电压控制器AVR的输出具有柔性； 限幅阈值运算器，用于得出转速控制器ASR或电压控制器AVR的限幅阈值的最大。
15、值 与限幅阈值的最小值，最大值和最小值实时改变。 0010 转速控制器ASR的输出端和电压控制器AVR控制器的输出端均与反向PI控制器 的输入端连接，反向PI控制器的限幅阈值动态实时可调；所述反向PI控制器的输入端接入 限幅阈值运算器。 0011 所述转速控制器ASR和电压控制器AVR均采用限幅阈值可随电动车工况状态量变 化的控制器。 0012 一种电动车交流异步驱动电机的柔性控制方法，其特征在于： 在电动车的转速恒定、加速过载、高速弱磁三种工况切换过程中，转速控制器ASR或者 电压控制器AVR的控制量为c； 将控制量c与限幅阈值运算器得出的限幅阈值最大值与限幅阈值最小值进行 比较； 比较得到。
16、，当控制量c不满足并产生限幅偏差时，则通过反向PI控制器 对具有限幅偏差的控制量c作用，产生负反馈并叠加到正向PI控制器的输出上面； 经过反向PI控制器调整后，使得控制量c增大或减小到满足时，反向PI控 制器停止工作，则实现了将转速恒定、加速过载、高速弱磁三种工况的切换都转换为转速控 制器ASR或电压控制器AVR的限幅阈值的改变。 0013 所述控制量c与限幅阈值的运算器得出的限幅阈值最大值与限幅阈值最小 值进行比较的具体过程如下： 1.当控制量满足条件时，限幅偏差值为0，反向PI控制器不工作，整个 限幅阈值可随电动车工况状态量变化的控制器相当于一个普通的PI控制器； 2.当控制量时，限幅偏差。
17、，限幅偏差经过反向PI控制器作用 说 明 书CN 102403953 A CN 102403957 A 3/7页 7 后作为负反馈叠加到正向PI控制器的输出上面，使得限幅阈值可随电动车工况状态量变 化的控制器最终输出的控制量减小，减小到控制量满足时，反向PI控制器 停止工作； 3.当控制量时，限幅偏差，限幅偏差经过反向PI控制器作用 后作为负反馈叠加到正向PI控制器的输出上面，使得限幅阈值可随电动车工况状态量变 化的控制器最终输出的控制量增大，增大到控制量满足时，反向PI控制器 停止工作。 0014 所述限幅阈值运算器给出转速控制器ASR的当前可输出转矩的最大值与最 小值分别作为该控制器限幅阈。
18、值的最大值与最小值。 0015 当前可输出转矩最大值的计算公式为： （1） 其中为电机转速，为电池最大输出功率，是最大电池输出功率对应的转矩 值；为最大正向驱动功率，为最大正向驱动功率对应的转矩值；为电机额定转矩， 为最大过载倍数，。根据和可以计算出电池功率对应的限制转矩，根据 和可以计算出最大正向驱动功率对应的限制转矩，根据当前允许的过载倍数可以 计算出过载限制转矩将、中的最小值最为当前可输出转矩最大值。 0016 当前可输出转矩最小值的计算公式为： （2） 其中为电动车最大反向驱动功率，是最大反向驱动功率对应的转矩值，最大 反向驱动转矩。根据和当前电机转速可以计算出，将、以及最大电池输出 。
19、功率对应的转矩值中取反的最小值作为当前可输出转矩最小值。 0017 所述限幅阈值运算器给出电压控制器AVR的可输出当前转子磁链的最大值 与最小值分别作为该控制器限幅阈值的最大值与最小值，同时，该运算器还计算出高 速弱磁工况下的转矩限制值。 0018 当前最大转子磁链： （3） 说 明 书CN 102403953 A CN 102403957 A 4/7页 8 其中， （4） （5） 为功率限制下的最大转子磁链，为等效互感，为感应电机最大安全运行电 流，为实际同步转速，为定子自感，为总漏感，为母线实际电压， 为电压 限制下的最大转子磁链，为额定转子磁链，表示可加在电机上的最大相电压。根据实 测母。
20、线电压、和按照式4可以计算功率限制下的最大转子磁链，根据 和根据式5可以计算电压限制下的最大转子磁链，最后根据式3给出当前转子磁链 的最大值。 0019 高速弱磁工况时，弱磁限制下的最大转矩值的计算公式如下： （6） 其中为电机极对数，为转子自感，为弱磁限制下的最大转矩值。 0020 当前转子磁链的最小值。 0021 本发明的有益效果如下： 1. 转速环控制量和电压环的控制量在电动车工况切换时不会产生跳变； 2. 将转速恒定、加速过载工况的切换统一为转速控制器ASR限幅阈值的改变， 避免了控制状态改变带来的转矩的跳变以及繁琐的控制逻辑判断； 3. 将高速弱磁切换统一为电压控制器AVR限幅阈值的。
21、改变，避免了弱磁区切换 以及转速采样跳变引起的磁链期望值的跳变； 4. 主控制回路采用统一的控制策略，并且避免了状态切换开关，控制结构简单 清晰，控制效果的平稳性更好。 附图说明 说 明 书CN 102403953 A CN 102403957 A 5/7页 9 0022 图1是本发明的矢量控制示意图 图中标记如下：为期望转速、为期望转矩、为期望电压矢量模值、为期望 转子磁链、为期望励磁电流、为期望转矩电流、为实际转速、为实际电压矢量模 值、为实际转子磁链、为实际励磁电流、为实际转矩电流、为转子磁链相角、为 轴电压分量、为轴电压分量、为轴电压分量、为轴电压分量、为轴电 流分量、为轴电流分量、为。
22、A相定子电流、为B相定子电流、为C相定子电流、M 为电动机。 0023 图2为限幅阈值可变控制器的原理图 图3为转速恒定与加速过载控制切换过程示意图 图4为转速恒定与加速过载控制框图 图5为高速弱磁控制切换过程示意图 图6为高速弱磁控制框图。 具体实施方式 0024 采用限幅阈值可变的控制器实现的矢量控制原理图如图1所示，驾驶员通过踏板 给出期望转速作为转速环的控制器ASR的控制目标，反馈量实际转速通过编码盘采集 得到，ASR限幅阈值由转速恒定与加速过载控制策略模块给出。高速弱磁控制策略模块给出 电压环的控制器AVR的控制目标以及AVR的限幅阈值，反馈值通过轴电压分量、 轴电压分量取模计算得到。
23、。内环的控制原理与传统的矢量控制原理一致。 0025 限幅阈值可变的控制器的原理图如图2所示，图中为控制目标，为系统输出反 馈值，为控制量，为控制偏差，为控制器输出限幅阈值的最大值，为控制器输 出限幅阈值的最小值，为限幅偏差。限幅阈值的最大值与限幅阈值的最小值由 限幅阀值运算器给出，可以实时改变的。电机的运行状态可以任意切换，输出的控制量c都 按照反向PI控制器的控制规律变化，不会出现跳变。 0026 转速控制器ASR的控制切换过程和原理如图3-4所示，当进入高速弱磁工况时转 矩的最大值还会受到弱磁控制策略的限制，高速弱磁转矩限制值的具体计算方式会在分析 弱磁控制时给出，下面先分析转速恒定与加。
24、速过载工况切换时，限幅阀值运算器的具体计 算公式。 0027 期望转速根据踏板电压计算出，计算公式为： （7） 其中为踏板电压，为踏板最大电压，为踏板位置，为正向最高转速， 说 明 书CN 102403953 A CN 102403957 A 6/7页 10 为反向最高转速，为档位信号，分别对应电动车的前进、后退和停止，前进档位 为1，后退档位为-1，停止档位为0。根据采集到的电压与踏板最大电压 的比例，计算出踏板的位置百分比，之后再结与或者计算出转 速环的期望转速。 0028 转速的控制调整和限幅阈值可变控制器的结合方式为：采用限幅阀值运算器给出 的期望转速为控制目标，电机实际转速作为反馈量。
25、，限幅阀值运算器给出的当前可输出 转矩的最大值与最小值分别作为该控制器限幅阈值的最大值与最小值。限幅阈 值可变控制器的输出为期望转矩。根据电动车动力参数的匹配原理电机的额定转矩应 能满足电动车在最高车速以内的调速需要，即电动车转速恒定时所需的驱动转矩小于等于 电机的额定转矩。下面以启动-转速恒定-加速过载-转速恒定为例分析速度控制器的柔 性控制。 0029 假设电动车处于停止状态，电机转速为0，当驾驶员踩下油门到某一位置时， 根据公式7计算得期望转速，根据式1，控制器上限幅阈值最大值等于过 载限制转矩，此时电动车可以以过载限制转矩加速，当时控制器会减小控制 量使转速稳定，此时，此时的控制量期望。
26、转矩，电动车进入转速恒定工况； 当驾驶员加大油门到另一位置时，根据公式7计算得，根据式1， 若此时不考虑电池欠压、电机过热故障则有，正向最大驱动功率， ，电动车处于加速过载工况；当ww*2 时控制器会减小控制量使转速稳定，此时，此时的控制量期望转矩，电动车 进入转速恒定工况。整个工况切换过程中控制量一直由限幅阈值可变的控制器平滑给 出，达到了柔顺控制的目的。 0030 电压控制器AVR的控制切换过程如图5所示，将限幅阈值可变的转速控制器作为 电压控制器AVR的原理如图6所示，高速弱磁的控制调整和限幅阈值可变控制器的结合方 式为：限幅阀值运算器给出的电压矢量模最大值作为控制目标，加到电机上的实际。
27、 电压矢量的模作为反馈量，控制策略给出的当前转子磁链的最大值与最小值 分别作为该控制器限幅阈值的最大值与最小值，以及高速弱磁下的转矩限制值，和式1 的计算结果取小值最为速度控制器ASR的限幅阈值最大值。电压控制器的输出为期望转子 磁链。下面分析高速弱磁工况切换时电压控制器如何实现柔顺控制。 0031 在感应电机正常运行时，随着实际同步转速的增大，由式3计算出的电压控制 器AVR幅阈值的最大值将减小，的计算按照统一的公式给出省去了功率限制、 说 明 书CN 102403953 A CN 102403957 A 7/7页 11 压区限制之间切换，并且由于限幅阈值可变控制器的作用AVR输出的期望转子。
28、磁链在 发生切换时也不会出现跳变，使得能够平缓的变化，消除因为的跳变带来的电机控 制的抖动，增加感应电机控制的安全性。同时，随着实际同步转速的增大，加到交流感应 电机上的实际电压矢量将随之增大。因此，在最大电压矢量不变的情况下，AVR输出 的期望转子磁链将减小。由于的减小会导致励磁电流的减小，感应电机的反电动 势将减小，那么在母线电压不变的情况下，感应电机能够升至更高的转速。 说 明 书CN 102403953 A CN 102403957 A 1/3页 12 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102403953 A CN 102403957 A 2/3页 13 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102403953 A CN 102403957 A 3/3页 14 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102403953 A 。