CN101209683B - 电动汽车驱动电机控制方法及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车驱动电机控制方法及其控制系统，当制动踏板被踩下时，使电机工作在能量回馈控制模式，输出反向力矩实现辅助制动，将电动汽车的机械能转化为电能储存起来；当轮速发生超范围的阶跃时，使电机进入打滑处理控制模式，增大或降低力矩输出，以避免电机堵转或打滑；当电动汽车处于上坡状况时，使电机进入爬坡助手控制模式，保证输出力矩不小于下滑力矩，防止车辆出现很危险的失控倒退下滑；当电动汽车处于下坡状况时，使电机进入下坡助手控制模式，避免速度过快而导致车辆失控。因此，当电动车处于行驶状态时，在各种路况下都能保证行车的稳定性和安全性，使乘坐的舒适性得到提高。

Description

电动汽车驱动电机控制方法及其控制系统
【技术领域】
本发明涉及一种应用于电动汽车的电机控制方案。 
【背景技术】
在申请号为200510020900.3、名称为《电动机控制方法》的中国专利申请中，在背景技术中披露了一种电动机控制方法，采用速度环控制，对电动机转子转速进行PI调节，再由对电动机的交、直轴电流进行调节而控制电动机的转矩。而该发明公开的电动汽车电机控制方法，是根据电动机角速度设定交轴目标电流并根据电动机转矩设定直轴目标电流；检测、采集电动机三相电流，同时检测电动机转子位置测定转子转角；将电动机三相电流根据转子位置角度值经过Park变换和Clark变换转换为电动机转子的直轴实际电流和交轴实际电流；将目标电流与实际电流的差值作为电流环的输入，进行PI调节输出所需直轴电流和所需交轴电流；根据PI调节输出的所需直轴电流和所需交轴电流以及电动机转子转角计算出三相电压值；由三相电压值得到脉宽调制控制波形，将直流电转化为相应大小的交流电而驱动电动机。 
上述的速度环反馈控制或是电流环反馈控制，仅仅是电机控制的基础。在实际应用中，鉴于路况、工况复杂多变，因此，必须综合车辆各种参数，同时结合电动汽车当前的工矿，作出适当的决策，采用有针对性的控制方式灵活地计算目标直轴电流和交轴电流，最终经过PI调节给出，防止电机的失控。 
【发明内容】
本发明的目的主要在于：提供一种电动汽车驱动电机控制方法及其控制系统，使电动汽车对于各种路况均能保证行车安全性、乘坐舒适性。 
为实现上述目的，本发明提出一种电动汽车驱动电机控制方法，在正常工况下行驶时按照油门深度给出控制电机的转矩；当电机控制器检测到电机转子转速阶跃大于给定范围时，进入打滑控制模式对驱动电机进行控制：当转子转速的阶跃方向为增大时，减小电机输出力矩，当转子转速的阶跃方向为减小时，增大电机的输出力矩，电机转子转速、车速的取得的具体步骤包括：由旋转变压器采集转子角度位置信号，旋变解码单元解算出电机转子位置的数字信号，传送给电机控制器解算出当前电机转子转速、车速。
上述的电动汽车驱动电机控制方法，当电机控制器检测到汽车处于爬坡状态时，进入爬坡助手控制模式对驱动电机进行控制：电机控制器计算出汽车下滑力矩，并使电机的输出力矩大于该下滑力矩。当电机控制器检测到汽车进入制动状态时，采用能量回馈控制模式：依据当前车速、刹车深度计算出反馈力矩，控制电机给出反馈力矩，并将该力矩转化为电能对电池组充电。当电机控制器检测到汽车处于下坡状态时，进入下坡助手控制模式对驱动电机进行控制：根据向下滑行转矩、电机的最大输出转矩、油门深度和给定速度判别值确定出控制电机输出转矩。 
上述的电动汽车驱动电机控制方法，所述爬坡助手控制模式的具体步骤包括： 
51)当汽车处于前进状态下，倾斜角度传感器检测车辆的倾斜角度，油门信号传感器检测油门深度； 
52)根据车辆的倾斜角度、当前车速和整车的重量计算出抑制车辆在此倾斜角度下产生的下滑力矩； 
53)计算当前速度下电机输出的最大转矩； 
54)根据下滑力矩、电机输出的最大转矩和油门深度确定出控制电机输出转矩的转矩控制信号，使电机输出转矩大于该下滑力矩。 
上述的电动汽车驱动电机控制方法，所述能量回馈控制模式的具体步骤包括： 
61)油门、制动信号传感器实时监测采集油门、刹车信号； 
62)判断车速是否高于给定的最小能量反馈速度V0，否则反馈力矩取零； 
63)依据当前车速V、刹车深度计算出反馈力矩T； 
64)控制电机给出反馈力矩，将该力矩转化为电能对电池组充电。 
上述的电动汽车驱动电机控制方法，所述下坡助手控制模式的具体步骤包括： 
71)当电动汽车在下坡状态时，倾斜角度传感器检测车辆的倾斜角度， 油门信号传感器检测油门深度Gain； 
72)根据车辆的倾斜角度、当前速度和整车的重量计算出当前车辆相对应的向下滑行转矩T1； 
73)计算当前速度下电机外特性曲线相对应的最大输出转矩T2； 
74)根据所述向下滑行转矩T1、电机的最大输出转矩T2、油门深度Gain和给定速度判别值Vref确定出控制电机输出转矩。 
同时，本发明提出了一种电动汽车驱动电机控制系统，包括电机控制器、油门信号传感器、制动信号传感器、旋转变压器、旋变解码单元；油门信号传感器、制动信号传感器、旋变解码单元分别与所述电机控制器连接；所述旋转变压器采集转子角度位置信号，旋变解码单元解算出电机转子位置的数字信号，传送给电机控制器解算出当前电机转子转速、车速； 
所述电机控制器包括打滑控制模块；当电机控制器检测到电机转子转速阶跃大于给定范围时，启用打滑控制模块对驱动电机进行控制：判断到转子转速的阶跃方向为增大时，减小电机输出力矩，判断到转子转速的阶跃方向为减小时，增大电机的输出力矩。 
上述的电动汽车驱动电机控制系统，还包括倾斜角度传感器，所述电机控制器包括爬坡助手控制模块；当电机控制器通过倾斜角度传感器检测到汽车处于爬坡状态时，启用爬坡助手控制模块对驱动电机进行控制：电机控制器计算出汽车下滑力矩，并使电机的输出力矩大于该下滑力矩。 
上述的电动汽车驱动电机控制系统，所述电机控制器还包括能量回馈控制模块；当电机控制器通过制动信号传感器检测到汽车进入制动状态时，启用能量回馈控制模块对驱动电机进行控制：依据当前车速V、刹车深度计算出反馈力矩T，控制电机给出反馈力矩，并将该力矩转化为电能对电池组充电。 
上述的电动汽车驱动电机控制系统，还包括倾斜角度传感器，所述电机控制器包括下坡助手控制模块；当电机控制器通过所述倾斜角度传感器检测到汽车处于下坡状态时，启用下坡助手控制模块对驱动电机进行控制：根据向下滑行转矩、电机的最大输出转矩、油门深度和给定速度判别值确定出控制电机输出转矩。 
由于采用了以上的方案，对电机的控制基于功率控制，通过油门踏板、制动踏板的信号，由电机控制器计算出电机需输出功率，通过检测车身倾斜角度、车轮打滑、档位等工况来设定驱动电机的运行状态；当制动踏板被踩下时，电机工作在能量回馈控制模式，将电动汽车的机械能转化为电能储存起来，同时对驱动车轮输出反向力矩从而实现电子制动；当驱动车轮轮速发生超范围的阶跃时，电机进入打滑处理控制模式，增大或降低力矩输出，以避免电机堵转或打滑；当电动汽车处于上坡状况时，电机进入爬坡助手控制模式，那么即使驾驶员松掉油门踏板，驱动电机也会输出适当的力矩，防止车辆出现很危险的失控倒退下滑；当电动汽车处于下坡状况时，电机采用下坡助手控制模式，在电机的输出转矩中加入重力等效转矩的加权项，电机的输出转矩和重力的等效转矩叠加得到车轮最终的转矩，即使刹车深度为零，由电机输出的力矩使车辆在不踩油门和刹车时也不会速度过快，避免导致车辆失控引起严重后果，从而增强车辆驾驶的安全性和舒适性。 
因此，当电动车处于行驶状态时，在各种路况下都能保证行车的稳定性和安全性，使乘坐的舒适性得到提高。 
【附图说明】
图1是本发明实施例的电动汽车电气驱动系统结构图； 
图2是实施例的电机控制器控制流程图。 
图3是实施例中能量回馈控制模式的控制流程图。 
图4是车辆上坡时重力和牵引力的示意图。 
图5是实施例中爬坡助手控制模式的控制流程图。 
图6是实施例中打滑处理控制模式的控制流程图。 
图7是实施例中下坡助手控制模式的控制流程图。 
【具体实施方式】
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。 
图1为本例的电动汽车电气驱动系统结构图，该系统包括：电池组1；电容组2；逆变器3；第一电流传感器4；第二电流传感器5；永磁同步电动机6；旋转变压器7；旋变解码单元8；光耦隔离单元9；倾斜角度传感器10；挡位控制器11；电机控制器12；油门、制动信号传感器13；制动踏板14；油门踏板15。其中第一电流传感器4、第二电流传感器5为交流电流传感器。其中电机控制器固化有打滑处理控制模块、爬坡助手控制模 块、下坡助手控制模块、能量回馈控制模块，通过采集各种参数，根据各种工况、路况，实现如图2所示的控制模式，包括打滑控制模式、爬坡助手控制模式、下坡助手控制模式、能量回馈控制模式。 
电池组1是整个车辆驱动系统的能量来源；电容组2的正负极与电池组1的正负极相连，吸收高频冲击电压，平滑直线电压波形；逆变器3由三个智能功率模块IPM(也可用IGBT、晶体管等功率器件)组成，IPM分为上下桥臂，三个IPM的上桥臂的输入端与电池组1的正极母线相连接，下桥臂与电池组1的负极母线相连接，各IPM之间的各个连接点分别与电动机6的三相线圈(U相、V相、W相)相连接；第一电流传感器4和第二电流传感器5负责采集U相、W相的电流信号并发送给电机控制器12。旋转变压器7负责采集电机转子的位置送入旋变解码单元8解算出转子位置的角度传送给电机控制器12。倾斜角度传感器10采集车身的倾斜角度发送给电机控制器12；挡位控制器11将当前的挡位信号送入电机控制器12；油门踏板、制动踏板信号传感器13将制动踏板14和油门踏板15信号的模拟量转变为数字信号送入电机控制器12；电机控制器12综合来自相电流、挡位、转子位置、车身倾斜角度、油门、制动踏板信号，控制电机运行模式，决定硬件保护或者行车状态的切换。 
请参考图3的打滑处理模式的控制策略的流程图。汽车从正常的路面进入一种比较光滑的路面，比如冰面时，摩擦力很小，相当于电机的负载突然变小，电机转子由于负载突然卸掉而加速，从旋转变压器采集到的转子角度位置计算出的转子的转速将有很大的阶跃ε1，该阶跃已经超过了预设定的阶跃值ε0。ε0由实验统计得出，每一车型因为加速性能不一样，其允许值的范围也不一样。这直接导致车速产生阶跃，这样产生的冲击电流和电压引起IPM的保护，直接导致电机的失控，这在正常行驶过程中是不允许的。反之，在光滑的路面上，电机只要输出比较小的力矩就能使汽车正常行驶，当汽车从光滑的路面行进到正常摩擦的路面时，即相当于在电机上瞬时加一负载，负载的瞬时增大使电机在输出很小的力矩的情况下转速迅速变小，甚至停转，该情况同样使电机的转速产生阶跃，引起电机控制器的保护，而且由于电功率在极端的情况-堵转时全部转为电机绕组的热能而消耗，很可能使绕组过热；为了能防止这两种情况的出现，在 电机控制器中加入了车辆打滑的控制处理策略，在车辆出现因为打滑而导致电机转子的转速阶跃时，打滑处理控制模式能对应上述两种情况分别控制减小电机的输出转矩或者增大电机的输出转矩，这样调整后的转矩能够防止车速的突变。 
请参考图4所示的电机控制中爬坡助手的控制流程图。汽车正常挂前进挡行进时，如果倾斜角度传感器检测到汽车有上坡时的正倾角时，则需要对汽车施加爬坡助手的控制，倾斜角度传感器对汽车倾斜角的检测需加以滤波，以防止汽车在颠簸的路上发生错误的控制策略。如图7，汽车上坡时在自身重力G作用下，根据倾斜角度就有一个沿坡面向下的下滑力，传统的燃油车发动机有一个怠速，上坡的过程中即使驾驶员不踩油门踏板，发动机始终给车辆一个向上的力F，汽车不会因为受自身重力的影响而倒退，电动汽车的动力源是电动机，如果电动汽车在上坡时，电机控制器依据油门踏板信号给出的力矩不足以抵消自身下滑的力矩，此时的电动汽车即使是在前进挡也会由于自身重力的作用而倒退下滑，或者电动汽车在坡面上静止时，由于没有怠速值，即没有向上的力F，电动车这时倒退下滑，这给行车安全带来极大的隐患，在整个驱动系统中，爬坡助手起到在这种情况下保证行车安全的效果。电机控制器在接收到倾斜角度传感器传来的车身倾斜角度θ时，依据该角度和车速计算出汽车下滑的力矩，再综合油门踏板的信号，算出油门踏板的信号最大时电机的输出力矩，结合两个力矩，保证电机的输出力矩始终大于下滑的力矩，即油门踏板的信号与输出转矩之间的对应关系的变化，这样即使上坡过程中驾驶员不踩油门踏板，也不会因为电动机没有怠速而倒退。 
请参考图5所示的下坡助手控制模式。当电动汽车处于下坡状况时，在前进档位上，当速度过快时，电机产生的摩擦力不足以形成反向制动，可能会使电动汽车速度过快，导致车辆失控，引起严重后果。此时当档位控制器处于前进档时，根据倾斜角度传感器采集的整车负倾斜角信号，与整车的重量和车辆当前的速度V相结合，计算出车辆在此倾斜角度下重力在前进方向的等效转矩T1和当前车辆速度V下电机输出的最大力矩T2(即油门深度最大时电机输出的转矩)，在此基础上根据油门深度Gain与当前车速V、给定速度判别值Vref，确定转矩加成项，电机输出的最大力矩T2和重力等效转矩加成得到电机的最终输出转矩T。从而在电机的输出转矩中 加入重力等效转矩的加权项，电机的输出转矩和重力的等效转矩叠加得到车轮最终的转矩。因此，即使刹车深度为零，由电机输出的力矩使车辆在不踩油门和刹车时也不会速度过快，从而增强车辆驾驶的安全性和舒适性。当电动汽车在下坡时车速不大的情况下控制电机输出较小的反向力矩，使汽车能够平稳地将速度提高到一个设定的速度。 
如图5所示，下坡助手控制模式包括以下步骤： 
在步骤S1，倾斜角度传感器检测车辆的倾斜角度，速度传感器检测车辆的当前速度，并将倾斜角度、车辆的当前速度V输入到电机控制器，然后执行步骤S2； 
在步骤S2，电机控制器根据车辆的倾斜角度、当前速度V和整车的重量计算出车辆的当前车辆相对应的向下滑行转矩T1和计算当前速度下电机外特性曲线相对应的最大输出转矩T2，然后执行步骤S3； 
向下滑行转矩T1可以通过以下公式计算得到： 
T1＝m1*g*sinθ*r/k 
其中，m1是汽车的整备质量，g是重力加速度，θ是车辆倾斜角度传感器测得的倾斜角，r为车轮半径，k为变速箱的减速比。 
电机的最大输出转矩T2和电机的特性曲线有关系。在不同速度下，电机输出最大转矩不一样，根据电机的最大输出转矩T2和速度的函数关系，在一固定速度V下，电机的最大输出转矩T2也是一个固定值。电机的最大输出转矩T2可通过实验测得。 
在步骤S3，油门深度传感器检测油门被踩压深度所对应的油门深度Gain，并将油门深度Gain输入到电机控制器，然后执行步骤S4； 
在步骤S4，判断当前的档位是否位于前进档，如果是，则执行步骤S5，如果不是则执行步骤S6； 
在步骤S5，电机控制器根据油门深度Gain、速度V、向下滑行转矩T1、给定速度判别值Vref、电机的最大输出转矩T2计算出电机的最终输出转矩T，然后执行步骤S7；给定速度判别值Vref为正常行使速度即可，例如30km/h。 
在步骤S6，电机控制器根据正常的转矩计算公式T＝T2*Gain，计算出电机输出转矩T，然后执行步骤S7； 
在步骤S7，电机控制器根据计算的电机输出转矩T输出相应的PWM控制信号，并输出到电机控制器，由电机控制器控制电机输出相应力矩。 
请结合图6所示，电动汽车的电机控制器接收到制动踏板的制动信号时，电机控制器依据汽车的速度，结合制动踏板的深度计算出能量回馈的回馈力矩，调整PWM波形，对应于同一速度时，制动踏板的深度越深给出的回馈力矩越大；同样的，在同一个制动踏板深度，速度越快则回馈力矩的越大，同时，在各个速度下都有自己对应的最大回馈力矩，当速度达到一定的值时，其最大的反馈力矩也是恒定的，通过这一能量回馈系统使电动汽车的续驶里程得以增加。整个能量回馈控制模式的制动效果起辅助作用的，主制动采用传统的液压制动，以保证制动的效果即行车的安全性。 
当速度很小时如果再反馈能量，其反馈的能量很少，此时的再生制动已经没有意义，并且汽车速度为零的瞬间如果电机还处于能量回馈的状态，电机转子的转速会在零左右波动，电机转速不稳定。根据车辆的各技术参数通过实验统计确定一最小能量反馈速度V0。在车速大于最小能量反馈速度V0时，能量回馈控制模式才启动。本例取V0为5KM/H，其优选的范围在3～10KM/H之间。 

Claims (9)

1.一种电动汽车驱动电机控制方法，在正常工况下行驶时按照油门深度给出控制电机的力矩；其特征是：
当电机控制器检测到电机转子转速阶跃大于给定范围时，进入打滑控制模式对驱动电机进行控制：当判断转子转速的阶跃方向为增大时，减小电机输出力矩，当判断转子转速的阶跃方向为减小时，增大电机的输出力矩，电机转子转速、车速的取得的具体步骤包括：由旋转变压器采集转子角度位置信号，旋变解码单元解算出电机转子位置的数字信号，传送给电机控制器解算出当前电机转子转速、车速；
当电机控制器检测到汽车进入制动状态时，在车速大于最小能量反馈速度V0时，采用起辅助制动作用的能量回馈控制模式：依据当前车速、刹车深度计算出反馈力矩，控制电机给出反馈力矩，并将该反馈力矩转化为电能对电池组充电，V0的取值范围为3～10KM/H。
2.如权利要求1所述的电动汽车驱动电机控制方法，其特征是：当电机控制器检测到汽车处于爬坡状态时，进入爬坡助手控制模式对驱动电机进行控制：电机控制器计算出汽车下滑力矩，并使电机的输出力矩大于该下滑力矩。
3.如权利要求1所述的电动汽车驱动电机控制方法，其特征是：当电机控制器检测到汽车处于下坡状态时，进入下坡助手控制模式对驱动电机进行控制：根据向下滑行力矩、电机的最大输出力矩、油门深度和给定速度判别值确定出控制电机输出力矩。
4.如权利要求2所述的电动汽车驱动电机控制方法，其特征是：所述爬坡助手控制模式的具体步骤包括：
51)当汽车处于前进状态下，倾斜角度传感器检测车辆的倾斜角度，油门信号传感器检测油门深度；
52)根据车辆的倾斜角度、当前车速和整车的重量计算出抑制车辆在此倾斜角度下产生的下滑力矩；
53)计算当前速度下电机输出的最大力矩；
54)根据下滑力矩、电机输出的最大力矩和油门深度确定出控制电机输出力矩的力矩控制信号，使电机输出力矩大于该下滑力矩。
5.如权利要求1所述的电动汽车驱动电机控制方法，其特征是：所述能量回馈控制模式的具体步骤包括：
61)油门、制动信号传感器实时监测采集油门、刹车信号；
62)判断车速是否高于给定的最小能量反馈速度V0，否则反馈力矩取零；
63)依据当前车速V、刹车深度计算出反馈力矩T；
64)控制电机给出反馈力矩，将该反馈力矩转化为电能对电池组充电。
6.如权利要求3所述的电动汽车驱动电机控制方法，其特征是：所述下坡助手控制模式的具体步骤包括：
71)当电动汽车在下坡状态时，倾斜角度传感器检测车辆的倾斜角度，油门信号传感器检测油门深度Gain；
72)根据车辆的倾斜角度、当前速度和整车的重量计算出当前车辆相对应的向下滑行力矩T1；
73)计算当前速度下电机外特性曲线相对应的最大输出力矩T2；
74)根据所述向下滑行力矩T1、电机的最大输出力矩T2、油门深度Gain和给定速度判别值Vref确定出控制电机输出力矩。
7.一种电动汽车驱动电机控制系统，其特征是：包括电机控制器、油门信号传感器、制动信号传感器、旋转变压器、旋变解码单元；油门信号传感器、制动信号传感器、旋变解码单元分别与所述电机控制器连接；所述旋转变压器采集转子角度位置信号，旋变解码单元解算出电机转子位置的数字信号，传送给电机控制器解算出当前电机转子转速、车速；
所述电机控制器包括打滑控制模块；当电机控制器检测到电机转子转速阶跃大于给定范围时，启用打滑控制模块对驱动电机进行控制：当判断转子转速的阶跃方向为增大时，减小电机输出力矩，当判断转子转速的阶跃方向为减小时，增大电机的输出力矩；
所述电机控制器还包括能量回馈控制模块；当电机控制器通过制动信号传感器检测到汽车进入制动状态时，在车速大于最小能量反馈速度V0时，启用起辅助制动作用的能量回馈控制模块对驱动电机进行控制：依据当前车速V、刹车深度计算出反馈力矩T，控制电机给出反馈力矩，并将该反馈力矩转化为电能对电池组充电，V0的取值范围为3～10KM/H。
8.如权利要求7所述的电动汽车驱动电机控制系统，其特征是：还包括倾斜角度传感器，所述电机控制器包括爬坡助手控制模块；当电机控制器通过倾斜角度传感器检测到汽车处于爬坡状态时，启用爬坡助手控制模块对驱动电机进行控制：电机控制器计算出汽车下滑力矩，并使电机的输出力矩大于该下滑力矩。
9.如权利要求7所述的电动汽车驱动电机控制系统，其特征是：还包括倾斜角度传感器，所述电机控制器包括下坡助手控制模块；当电机控制器通过所述倾斜角度传感器检测到汽车处于下坡状态时，启用下坡助手控制模块对驱动电机进行控制：根据向下滑行力矩、电机的最大输出力矩、油门深度和给定速度判别值确定出控制电机输出力矩。
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