CN101007510B - 一种混合动力汽车用电机的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种混合动力汽车用电机的控制方法，本发明包括以下控制步骤：整车控制器通过整车通讯CAN接口模块给电机控制模块发送运行模式、扭矩指令以及速度指令等信息；通过传感器调采样并通过模数转换和传感器测量处理模块ADC模块得到永磁电机相电流信号物理参数信号值，电机控制模块接收到这些信息后，永磁电机矢量控制模块会对运行模式要求进行判断，进而确定启动指令；本发明可以实现启动发动机、再生制动、提供辅助驱动扭矩和提供驱动电源这些基本功能，且能回收制动能量、提供辅助扭矩，减少发动机载荷。
Description
技术领域
本发明属于自动控制系统领域，特别涉及一种用于混合动力汽车的电机控制系统。
背景技术
在燃油经济性和排放法规的双重压力下，混合动力汽车得到进一步发展。由于混合动力汽车在燃油经济性、废气排放、驾驶性等方面均优于常规动力轿车，同时混合动力汽车还能改善驾驶性能，提高驾驶乐趣。例如，混合动力汽车可以实现怠速停机，从根本上解决降低了困扰驾驶员和乘员的怠速噪声，通过再生制动进行能量回收，可以有效的降低损耗，节约油耗。在今后，混合动力汽车，特别是中、低度混合动力汽车将在轿车市场占有很大的比重。电机作为混合动力电机中关键的一个部件，对于电机控制性能的提高对混合动力轿车整体性能具有举足轻重的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种一种混合动力汽车用电机的控制方法，使混合动力汽车的能量控制系统同时达到最低燃油消耗、最小尾气排放的要求。
为实现上述发明目的，本发明公开的混合动力汽车用电机的控制方法采用了以下控制步骤：
A、整车控制器通过整车通讯CAN接口模块给电机控制模块发送运行模式、扭矩指令以及速度指令；
B、通过电流、电压以及温度传感器调节电路AD采样永磁电机A相电流、B相电流传感器信号、定子绕组温度和逆变器温度信号以及霍尔位置传感器信号，通过模数转换和传感器测量处理模块即ADC模块得到永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号值；
C、ADC模块将上述永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号通过整车通讯CAN接口模块由整车控制器的接口发送电机的信息给整车控制器，同时输入给电机控制模块中的永磁电机矢量控制模块；
D、电机控制模块接收到整车控制器发送来的运行模式、扭矩指令和速度指令以及ADC模块发送来的永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号后，永磁电机矢量控制模块会对运行模式要求进行判断，确定永磁电机矢量控制模块的速度指令和扭矩指令值进行电机矢量控制；
E、永磁电机矢量控制模块输入相电流和电机位置角θ，通过Clark和Park变换得到直轴和交轴电流反馈值；同时输入电机速度ω作为永磁电机矢量控制模块的速度反馈值。
为配合本发明的控制方法，为实现混合动力电机的基本功能和四种模式控制，应用了Ti公司DSP TMS320F28X芯片作为处理器，主要控制算法包括：电机位置/速度确定、矢量控制算法、弱磁控制、空间矢量脉宽调制SVPWM控制、传感器故障检测以及与HCU(Hybridcontrol unit)的通讯等功能，矢量控制的应用可以获得3相PMSM正弦电流。
本发明可以实现启动发动机、再生制动、提供辅助驱动扭矩和提供驱动电源这些基本功能。本发明能回收制动能量、提供辅助扭矩，减少发动机载荷；同时具有发动平滑启动以降低对驱动器的危害等显著有点。
附图说明
图1是本发明的控制模块的原理框图；
图2是本发明中模式转换示意框图；
图3是本发明中扭矩控制和速度控制简图；
图4是矢量控制电流控制量的控制流程图。
具体实施方式
本发明公开的混合动力汽车用电机的控制方法包括以下控制步骤：A、整车控制器10通过整车通讯CAN接口模块20给电机控制模块发送运行模式、扭矩指令以及速度指令等信息；
B、通过电流、电压以及温度传感器调节电路AD采样永磁电机A相电流、B相电流传感器信号、定子绕组温度和逆变器温度信号，以及霍尔位置传感器信号，通过模数转换和传感器测量处理模块ADC模块60得到永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号值；
C、将上述永磁电机相电流信号等信号通过通讯CAN接口模块20由整车控制器10的接口发送电机的信息给整车控制器10，同时输入给永磁电机矢量控制模块50；
D、电机控制模块接收到这些信息后，永磁电机矢量控制模块50会对运行模式要求进行判断，根据电机本身的特性以及反馈的电机温度和逆变器温度值对整车控制器对于电机的速度指令和扭矩指令进行判断，确定电机矢量控制模块50的速度指令和扭矩指令值进行电机矢量控制。
E、永磁电机矢量控制模块50输入相电流和电机位置角θ，通过Clark和Park变换得到直轴和交轴电流反馈值；同时输入电机速度ω作为矢量控制模块50的速度反馈值。
根据运行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，通过采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制产生直轴和交轴电流参考值，对电机直轴和交轴电流进行PI控制，输出直轴和交轴电压值，再采用Clark和Park逆变换产生空间矢量脉宽调制SVPWM输入信号，空间矢量脉宽调制SVPWM输出信号输入逆变器驱动电机旋转。
所述的运行模式包括速度模式、扭矩模式、故障模式、零扭矩模式。
矢量控制的应用可以获得3相PMSM正弦电流，它已经广泛应用于3相永磁同步交流PMSM AC电机速度控制中。由于大量计算的需要，高性能的DSP芯片或者其他能执行矢量控制的微处理器被应用。
如上图1所示：当DSP完成配置、控制变量初始化以及传感器标定以后，电机控制单元MCU等待从HCU发来第一个CAN信息，第一个信息必须是设置电机为零扭矩模式，否则MCU等到从HCU发来的第一个正确的信息才能操作。
以下通过模式控制对本发明进一步进行说明。
在本混合动力系统中，电机有如下四种运行模式。MCU通过CAN从HCU接收信息，其中有MCU运行模式，当电机控制单元MCU接收到新模式后要通过模式错误检查，速度模式直接向扭矩模式或者扭矩模式直接向速度模式转换产生模式错误。
(1)速度模式
该模式只被用在发动机启动时，HCU给电机控制单元MCU速度指令，如果电机控制单元MCU当前速度已超出了指定的发动机启动速度，则MCU速度控制指令会钳制在允许的范围之内。电机控制模块控制环调节电机扭矩以达到使电机运行在指定的速度，这个扭矩不能变为负值，如果电机被驱动到比要求速度更高的转速时，控制扭矩将会钳制为零。
(2)扭矩模式
仅当发动机启动成功后，电机运行在扭矩模式。此模式提供辅助扭矩和再生制动功能，扭矩控制是此电机矢量控制的核心部分；对电机需求扭矩指令来自HCU CAN信息；如果MCU得到的电机扭矩超过电机提供最大扭矩，这个扭矩指令会被钳制为最大扭矩值。为了抵消反电动势对电机的影响，能达到需求的扭矩，在高速时应用弱磁控制方法。电机控制单元MCU控制环会调节扭矩保持到指令值。速度不会变为负值，如果指令扭矩会使电机反转，则电机控制扭矩钳制为零。
(3)故障模式
故障模式是针对系统故障例如：传感器故障、门驱动故障、逆变器故障等用来保护电机控制单元MCU硬件和电机。对于电机控制单元MCU故障有两种故障模式处理方法。
A、如果DSP检测到MCU可恢复故障(与控制器硬件无关)，比如：传感器失败、电机超速等，DSP将会禁止产生驱动信号。如果弱磁控制采用，DSP PWM控制输出禁止，否则3相驱动开关钳制为闭合。DSP保持控制inverter直到系统复位，如发动机停止、重新点火才取消钳制动作，在这个模式没有不可控电池充电。
B、如果DSP检测到与控制器硬件相关的故障。比如：inverter出错、门驱动电源故障等。DSP不会控制Inverter并且不会产生驱动信号。DSP会把故障信号通过CAN传给HCU，HCU会对硬件作出相应的动作直到系统复位为止。
(4)零扭矩模式
电机被控制提供零扭矩输出，在高速时，需要电机绕组中的弱磁电流以压制反电动势。因此零扭矩模式为速度模式和扭矩模式转换过渡模式，为电机运行提供可靠保障。模式转换如下图2所示：不满足下图转换路径的都被认为是故障。
以下说明位置速度和速度PI的控制。
在本混合动力系统中，线性位置霍尔传感器被用来测量位置信号。在电机转轴上装设霍尔磁环，在定子上装设两性霍尔传感器。为了提高位置解码的精度，在本混合动力汽车系统中通过滤波的方法减小存在于霍尔传感器正交信号中的噪声影响。在发动机启动控制，即速度模式时，简单的一阶低通滤波应用目的是为了减少高频噪音的影响；在发动机被启动以后，带通滤波被应用。通过用带通滤波进行滤波，可以消除霍尔传感器温升直流漂移和高频噪音。
图3为扭矩控制和速度控制简图，图中所示虚线部分为速度PI控制部分。
当电机运行模式为速度模式时，输出扭矩指令值钳制为速度PI控制输出结果，电机运行于扭矩模式时，扭矩指令值钳制为HCU通过CAN发送给MCU的扭矩指令，当运行于其他模式时，扭矩指令值钳制为零。
以下说明弱磁控制的过程。
如图3所示得到的扭矩指令值，考虑到由于电机温升的问题，对于扭矩指令值进行修正。当本电机采用矢量控制的方法。通过控制定子电流，通过电机磁场定向将定子电流分为激磁分量和转矩分量，采用对直流电机的严格模拟的方法进行控制，通过扭矩优化弱磁控制模块，得到矢量控制所需要的交、直轴电流参考值。
电机的控制运行与逆变器密切相关，当电机速度大于基速值后，由于逆变器母线电压的限制，要使电机运行在高速，需要对电机进行扩速，在永磁电机转子磁场一定的前提下，通过调节定子电流，增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的，这就是弱磁控制。
结合图4，通过对测量的直流母线电压值确定电机基速值，根据此时电机转速与基速比较，如果电机速度大于基速，则电机运行于弱磁控制区域，否则运行于每安培最大扭矩控制区域，根据弱磁控制算法或每安培最大扭矩控制算法，确定优化的直轴和交轴电流参考值。
在矢量控制和空间矢量脉宽调制SVPWM控制中，当直、交轴控制电流参考值确定后，根据矢量控制算法，利用电流传感器和霍尔传感器采集到的三相电流信号和位置信号，通过Clarke和Park变换，把基于定子静止坐标系的三相正弦电流信号转变为基于转子旋转坐标系的两相直交轴即dq轴电流作为电流PID控制环的反馈信号输入，对电流进行PID控制。在电机控制的过程中，随着直交轴电流和转速的增加，电机非线性耦合部分会严重破坏交直流控制性能，因此通过对非线性进行补偿，提高控制性能，通过PID电流环输出直交轴电压信号。为了提高混合动力汽车的动力性能，功率器件的开关损耗是最重要的性能指标之一。在现有技术条件下，提高电机驱动系统的性能和效率也是非常重要的一环，在电池电压和脉宽调制周期一定时，逆变器对直流侧电压的利用率提高意义重大。在本电机控制中，通过利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出空间矢量尽可能接近圆形。采用空间矢量脉宽调制技术，使电机脉动降低，电流波形畸变减小，而且电压利用率得到提高。常规SPWM在满调制时，输出相电压的基波峰值为直流母线电压的1/2，线电压的基波幅值为母线电压的
，而采用SVPWM调制时，输出的相电压基波幅值为直流母线电压的，线电压基本幅值等于直流母线电压。在常规SPWM调制中，调制比是不会大于1的，SVPWM的调制度可达到1.1547，并且保持线性调制。因此采用SVPWM的方法对inverter进行控制。采用Clarke和Park逆变换，把PID控制输出的直交轴电压转换为定子静止坐标系的三相电压信号，通过SVPWM算法计算得到SVPWM的参数进行SVPWM的调制。
以下结合如图1对电机控制流程进行说明。
整车控制器通过整车通讯CAN接口给电机控制模块发送运行模式、扭矩指令以及速度指令等信息。通过电流、电压以及温度传感器调节电路AD采样永磁电机A相电流、B相电流传感器信号、定子绕组温度和逆变器温度信号，以及霍尔位置传感器信号，通过模数转换和传感器测量处理模块得到永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号值，通过CAN通讯由整车控制器接口发送电机的信息给整车控制器，同时输入给永磁电机矢量控制模块。电机控制模块接收到这些信息后，永磁电机矢量控制模块会对运行模式要求进行判断，根据电机本身的特性以及反馈的电机温度和逆变器温度值对整车控制器对于电机的速度指令和扭矩指令进行判断，确定电机矢量控制模块的速度指令和扭矩指令值进行电机矢量控制。在永磁电机矢量控制模块，输入相电流和电机位置角θ，通过Clark和Park变换得到直轴和交轴电流反馈值；输入电机速度ω作为矢量控制模块的速度反馈值。根据运行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，通过采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制产生直轴和交轴电流参考值，然后对电机直轴和交轴电流进行PI控制，输出直轴和交轴电压值，再采用Clark和Park逆变换产生SVPWM输入信号，SVPWM输出信号输入逆变器驱动电机旋转。
Claims (4)
1.一种混合动力汽车用电机的控制方法，所述控制方法包括以下控制步骤：
A、整车控制器(10)通过整车通讯CAN接口模块(20)给电机控制模块发送运行模式、扭矩指令以及速度指令；
B、通过电流、电压以及温度传感器调节电路AD采样永磁电机A相电流、B相电流传感器信号、定子绕组温度和逆变器温度信号以及霍尔位置传感器信号，通过模数转换和传感器测量处理模块即ADC模块(60)得到永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号值；
C、ADC模块(60)将上述永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号通过整车通讯CAN接口模块(20)由整车控制器(10)的接口发送电机的信息给整车控制器(10)，同时输入给电机控制模块中的永磁电机矢量控制模块(50)；
D、电机控制模块接收到整车控制器(10)发送来的运行模式、扭矩指令和速度指令以及ADC模块(60)发送来的永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号后，永磁电机矢量控制模块(50)会对运行模式要求进行判断，确定永磁电机矢量控制模块(50)的速度指令和扭矩指令值进行电机矢量控制；
E、永磁电机矢量控制模块(50)输入相电流和电机位置角θ，通过Clark和Park变换得到直轴和交轴电流反馈值；同时输入电机速度ω作为永磁电机矢量控制模块(50)的速度反馈值。
2.根据权利要求1所述的混合动力汽车用电机的控制方法，其特征在于：电机控制模块根据运行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，通过采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制产生直轴和交轴电流参考值，对电机直轴和交轴电流进行PI控制，输出直轴和交轴电压值，再采用Clark和Park逆变换产生SVPWM输入信号，SVPWM输出信号输入逆变器驱动电机旋转。
3.根据权利要求1所述的混合动力汽车用电机的控制方法，其特征在于：永磁电机矢量控制模块(50)根据电机本身的特性以及接收到的自ADC模块(60)传来的电机温度和逆变器温度信号值，对整车控制器对于电机的速度指令和扭矩指令进行判断。
4.根据权利要求1所述的混合动力汽车用电机的控制方法，其特征在于：所述的运行模式包括速度模式、扭矩模式、故障模式、零扭矩模式，其中
所述的速度模式仅用于发动机启动时，此时电机控制模块控制环调节电机扭矩以使电机运行在指定的速度；
所述的扭矩模式用于在发动机启动成功后，此时电机控制模块控制环调节电机扭矩保持到指令值；
所述的故障模式为针对系统故障以保护电机控制模块硬件和电机；
所述的零扭矩模式为速度模式和扭矩模式转换过渡模式，此时电机控制模块控制电机以提供零扭矩输出。
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- 2006-12-08 CN CN200610098183A patent/CN101007510B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2657974Y (zh) * | 2003-06-25 | 2004-11-24 | 华南理工大学 | 混合动力电动汽车的混联式动力总成 |
| CN2712696Y (zh) * | 2004-03-19 | 2005-07-27 | 湖南大学 | 混合动力汽车能量总成智能控制器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| JP特开2004-80896A 2004.03.11 |
| JP特开平10-14273A 1998.01.16 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101007510A (zh) | 2007-08-01 |
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