CN101396976A - 一种混合动力汽车中电机控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力汽车中电机控制方法及装置。该方法是由微处理器通过接口电路获取电机转子的位置和转速值、电机的输入电流值、逆变器直流侧电压值和扭矩指令，进行运算后，得到电机运行所需的三相电压数值，通过SVPWM转换成控制逆变器工作的信号来控制电机的工作。通过对PWM调制指数来判断电流调节器的饱和，根据饱和状态来自动修正直轴和交轴电流指令值，自适应母线电压和电机参数变化，达到很好的静态和动态性能指标。该控制装置可以自适应逆变器直流侧母线电压变化，自动完成弱磁区与非弱磁区运行状态的自然切换，达到高精度、快速响应扭矩控制需求，实现宽速运行。

Description

一种混合动力汽车中电机控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的控制装置，尤其是涉及一种在混合动力汽车中，利用永磁同步电机作为输出动力之一时，对系统中永磁同步电机的控制方法和控制装置，该装置为一种自适应直流母线电压变化的控制装置。

背景技术

永磁同步电机尤其是内嵌永磁体的内嵌式永磁同步电机(IPM)具有高性能的可调速运行的优点，因此在混合动力汽车领域中应用非常广泛，其高性能的扭矩控制可以通过优化的每安培最大扭矩控制技术在低速时可以得到满意的运行性能，但随着转速的增加，由于电流调节器和电压源的限制会使扭矩降低。永磁电机的转子磁场由永磁体产生，通过利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱从而达到弱磁扩速的目的。目前对应永磁电机的弱磁控制方案比如六步电压控制方案需要估计定子磁链和知道功角状况，难以实现，如《伺服控制》杂志2006年第3期发表的由哈尔滨工业大学的徐壮和徐殿国的文章《内嵌式永磁同步电机变结构直接转矩控制及定子磁链观测》；对于前馈弱磁方案存在着不能在电动工况下实现弱磁运行状态的自然切换，或者存在电机参数变化对电机控制影响的缺陷；目前很多采用的电流调节方案，采用电流解耦控制和给定电压补偿有效地改善了电机性能，如CN200510082238.4中提到的弱磁区控制方案。但由于温升或直流电压母线引起的电压变化会导致电压调节器工作不稳定，严重时引起整个系统的不稳定的问题上述方案没有提及解决措施

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，在混合动力汽车中针对目前永磁同步电机尤其是IPM电机控制方法中存在由于温升或直流电压母线引起的电压变化会导致电压调节器工作不稳定，严重时引起整个系统的不稳定的问题，提出一种新的弱磁控制方法和实现该方法的装置，利用该方法控制电机工作能很好的适应母线电压的变化，提高了整个系统的稳定性，得到了优良的控制性能。

本发明为解决上述技术问题而采用如下的技术方案：一种混合动力汽车电机控制方法，由微处理器通过接口电路获取电机转子的位置和转速值、电机的输入电流值、逆变器直流侧电压值(直流母线电压)和扭矩指令，进行运算后，得到电机运行所需的三相电压数值，通过SVPWM(空间矢量脉宽调制)转换成控制逆变器工作的信号控制电机的工作，包括以下步骤：

(1)获取所需的外部参数：电机转子的位置和转速值、电机的输入电流值、直流母线电压值和扭矩指令；

(2)将电机的输入电流值转换成d/q轴电流反馈值；

(3)获取d/q轴电流指令值；

(4)获取d/q轴电压指令值；

(5)将d/q轴电压指令值通过同步/固定坐标转换得到SVPWM所需的控制逆变器的三相电压值。

进一步的，所述d/q轴电流反馈值是由电机的输入电流与电机转子位置值进行固定/同步坐标转换而得到的。

进一步的d/q轴电流指令值是由扭矩指令、电机的速度、以及作为内部反馈的d/q轴电流修正值通过下列步骤获得：

(a)通过查取永磁同步电机MTPA曲线得到d/q轴电流指令初值；

(b)d轴电流指令值为d轴电流指令初始值与d轴电流修正值之和，q轴电流指令值为q轴电流指令初始值与q轴电流修正值之和；

(c)根据步骤(b)确定的q轴电流指令值与扭矩指令若符号相反，则取与扭矩指令符号相同作为轴电流指令值。

进一步的，本发明中d/q轴电流指令修正值按下列步骤获得：

由d/q轴电压指令值与直流母线电压值按下式得到此刻的PWM调制指数：

$M=\frac{\sqrt{{\left(u_{\mathrm{dref}}\right)}^2+{\left(u_{\mathrm{qref}}\right)}^2}}{\frac{2}{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{dc}}}$

式中：M为PWM调制指数、u_dref为d轴电压指令值、u_qref为q轴电压指令值、V_dc为直流母线电压值。

根据预先设定的PWM调制指数阈值，通过此处计算的PWM调制指数与预先设定的PWM调制指数阈值的PI控制得到理论d轴电流修正值，当理论d轴电流修正值大于零时，电流调节器未饱和，此时d轴电流指令修正值为0，d轴电流，无需切换到弱磁运行状态，否则d轴电流指令修正值等于理论d轴电流修正值，电机自然切换到弱磁运行状态。

进一步的d/q轴电压指令值由d/q轴电流指令值、电机的速度以及电流反馈值通过以下步骤运算得出：

(A)d轴电压矢量为对d轴电流指令值与d轴电流反馈值的PI控制输出值减去电机极对数、q轴电感以及q轴电流反馈值的乘积；

(B)q轴电压矢量为对q轴电流指令值与q轴电流反馈值的PI控制输出值与电机极对数、q轴电感以及q轴电流反馈值的乘积以及电机极对数、永磁磁链的乘积之和。

本发明的另一个目的是提供混合一种动力汽车的电机控制装置，包括输入接口和运算中心，其中：

所述输入接口包括传感器输入接口和与CAN BUS的接口，分别与电机转子位置传感器、电机输入电流传感器、直流母线电压传感器和汽车的CAN BUS总线相连；

所述运算中心包括：固定/同步坐标变换单元、d/q轴电流指令运算单元、d/q轴电流指令修正单元、电压矢量指令运算单元、同步/固定坐标变换单元；

所述固定/同步坐标变换单元输入接所述输入接口电路，它取电机的三相电流以及转子位置角作为输入，并运算得到d/q轴电流反馈值输出接所述电压矢量指令运算单元；

所述d/q轴电流指令运算单元，输入分别接所述输入接口和d/q轴电流指令修正单元的输出端，它从CAN BUS接口取扭矩指令、从传感器输入取电机的速度、以及从d/q轴电流指令修正单元的d/q轴电流指令修正值作为其输入，运算输出d/q轴电流指令值，接电压矢量指令运算单元的输入端；

所述电压矢量指令运算单元，输入端分别接所述d/q轴电流指令运算单元、所述固定/同步坐标变换单元和所述输入接口，分别取d/q轴电流指令运算单元的d/q轴电流指令值、电机的速度(ω)以及固定/同步坐标变换单元的d/q轴电流反馈值作为其输入，并运算得到d/q轴电压指令值，输出接同步/固定坐标变换单元和d/q轴电流指令修正单元的输入端；

所述的d/q轴电流指令值修正单元，接收端分别接所述电压矢量指令运算单元和所述输入接口，它取电压矢量指令运算单元d/q轴电压指令值以及传感器输入的直流母线电压为输入，运算输出d/q轴电流指令修正值，输出接所述d/q轴电流指令运算单元；

所述同步/固定坐标变换单元，输入端分别接所述电压矢量指令运算单元和所述输入接口，它取电压矢量指令运算单元的d/q轴电压指令值以及传感器输入的转子位置角作为其输入，并运算得到三相电压值输出接逆变器，由逆变器控制电机的三相电压。

本发明通过PWM调制指数判断电流调节器饱和程度，当饱和时在同步旋转坐标系使瞬时电流矢量向直轴负方向运行，保证在电压、电流以及速度限制内稳定运行，自然切换到弱磁状态运行，否则在非弱磁状态运行。该控制方法最大的优点是通过PWM调制指数识别电流调节器饱状况，具有自适应逆变器直流母线电压和电机参数变化。对于直流母线电压随着汽车负载和车上电池充电状态而变化明显的混合动力汽车更为适用。

下面结合实施例和附图来进一步说明本发明。

附图说明

图1混合动力汽车中永磁同步电机控制装置原理方框图。

图2本发明混合动力汽车电机控制系统方框图。

具体实施方式

图1是混合动力汽车中永磁同步电机控制装置原理方框图，本电机采用矢量控制方法，根据汽车的运行状态对电机采取不同的控制方式。

本电机在混合动力中的功能主要是：在汽车静止的时候停止发动机，在需要启动的时候电机启动发动机；在汽车运行过程中，为发动机提供辅助扭矩，减少发动机负载；在其他情况下能再生制动，能对车上电池有效充电。电机的运行有四种模式：

(1)速度模式：根据整车控制器的速度指令，控制电机达到速度要求，启动发动机运行。

(2)扭矩模式：启动成功后，运行于扭矩模式，提供辅助扭矩驱动和再生制动功能。

(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MCU硬件和电机。

(4)零扭矩模式：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。

当故障模式时，直接关断Inverter进入保护。其他三个模式电机控制流程如下：

如图1、图2所示，

(1)混合动力永磁同步电机矢量控制器与整车控制器通过CAN通讯，电机运行模式受控于整车控制器，电机矢量控制器通过传感器组接受电机的电流、电压、温度等，整车控制器通过CAN发送给电机控制器电机运行模式指令、运行速度指令及运行扭矩指令。当运行模式为速度时，通过对电机速度指令与速度检测模块10通过传感器检测的速度反馈值进行PI控制后输出得到扭矩指令模块1输出的T_ref，在扭矩模式或零扭矩模式时，当整车控制器对电机的运行扭矩指令超过电机最大可提供扭矩时，扭矩指令模块1的输出T_ref为电机最大可提供扭矩，否则取整车的运行扭矩指令。

(2)d/q轴电流指令修正运算模块3：根据上一次采样时刻的电压矢量运算模块4中输出u_{_dref}、u_{_qref}结合下式计算调制指数M：

$M=\frac{\sqrt{{\left(U_{\mathrm{dref}}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{qref}}\right)}^2}}{\frac{2}{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{dc}}}$

根据预先设定的PWM调制指数阈值M_th，通过M与M_th的PI控制得到i_{_derr1}，当i_{_derr1}大于零时，电流调节器未饱和，d轴电流指令修正值i_{_derr}为0，电机按照MTPA运行，否则i_{_derr}等于i_{_derr1}，电机运行于弱磁状态，q轴电流指令修正值通过u_{_dref}、u_{_qref}的均方值与最大电压u_max的PI控制输出得到q轴电流指令修正值i_{_qerr}。

(3)d/q轴电流指令运算单元2：根据扭矩指令T_ref，结合MTPA(每安培最大扭矩)特性，可以得到此时MTPA运行时的定子直轴和交轴电流参考值i_{d_ref}和i_{q_ref}。d轴电流指令值i_{_dref}修正为i_{d_MTPA}与d/q轴电流指令修正运算3中的i_{_derr}之和，q轴电流指令值i_{_qref}修正为i_{q_MTPA}与d/q轴电流指令修正运算3中的i_{_qerr}之和，当此和与T_ref符号相反时应使其取与T_ref符号相同作为i_{_qref}。

(4)固定/同步坐标变换模块8：位置检测模块9通过位置传感器得到转子位置角θ，根据θ通过速度检测模块10得到电机速度ω，根据电流传感器信号得到三相电流i_a、i_b、i_c，通过固定/同步坐标变换模块8得到直轴和交轴电流反馈信号i_d、i_q。

(5)根据d/q轴电流指令运算单元2中的输出i_{_dref}、i_{_qref}、电机速度检测模块10输出的电机速度ω以及固定/同步坐标变换模块5输出的d/q轴电流反馈值i_d、i_q运算，d轴电压矢量为对i_{_dref}与i_d的PI控制输出值减去电机极对数p、ω、q轴电感L_q以及i_q的乘积，q轴电压矢量为对i_{_qref}与i_q的PI控制输出值与电机极对数p、ω、q轴电感L_d以及i_d的乘积以及电机极对数p、ω、永磁磁链Ψ_m的乘积之和。

(6)同步/固定坐标变换模块5：根据电压矢量指令运算模块4输出的d/q轴电压指令值u_{_dref}、u_{_qref}以及磁极位置检测模块9通过传感器检测到的转子位置角θ，通过同步/固定坐标变换运算得到三相电压值u_a、u_b、u_c；

(7)SVPWM发生器6为本实施例用来控制逆变器7的输出的：根据同步/固定坐标变换模块5输出的三相电压值u_a、u_b、u_c作为输入，相关芯片的PWM模块实现调制输出PWM信号，即逆变器7桥臂开关状态S_a、S_b、S_c输出至逆变器7。逆变器7的导通和关断驱动电机旋转。

根据不同的运行模式，该电机控制装置能及时适应母线电压和电机参数的变化，实现高精度、快速响应的扭矩控制。

Claims (6)

1.一种混合动力汽车电机控制方法，由微处理器通过接口电路获取电机转子的位置和转速值、电机的输入电流值、逆变器直流侧电压值和扭矩指令，进行运算后，得到电机运行所需的三相电压数值，通过SVPWM转换成控制逆变器工作的信号控制电机的工作，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)获取所需的外部参数：电机转子的位置(θ)和转速值(ω)、电机的输入电流值(i_a、i_b、i_c)、直流母线电压值(V_dc)和扭矩指令(T_ref)；

(2)将电机的输入电流值转换成d/q轴电流反馈值(i_d、i_q)；

(3)获取d/q轴电流指令值(i_{_dref}、i_{_qref})；

(4)获取d/q轴电压指令值(u_{_dref}、u_{_qref})；

(5)将d/q轴电压指令值(u_{_dref}、u_{_qref})通过同步/固定坐标转换得到SVPWM所需的控制逆变器的三相电压值(u_a、u_b、u_c)。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车电机控制方法，其特征在于：所述d/q轴电流反馈值(i_d、i_q)是由电机的输入电流(i_a、i_b、i_c)与电机转子位置值(θ)进行固定/同步坐标转换而得到的。

3.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车电机控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中d/q轴电流指令值(i_{_dref}、i_{_qref})是由扭矩指令(T_ref)、电机的速度(ω)、以及作为内部反馈的d/q轴电流修正值(i_{_derr}、i_{_qerr})通过下列步骤获得：

(a)通过查取永磁同步电机MTPA曲线得到d/q轴电流指令初值(i_{d_MTPA}、i_{q_MTPA})；

(b)d轴电流指令值(i_{_dref})为d轴电流指令初始值(i_{d_MTPA})与d轴电流修正值(i_{_derr})之和，q轴电流指令值(i_{_qref})为q轴电流指令初始值(i_{q_MTPA})与q轴电流修正值(i_{_qerr})之和；

(c)根据步骤(b)确定的q轴电流指令值(i_{_qref})与扭矩指令(T_ref)若符号相反，则取与扭矩指令(T_ref)符号相同作为轴电流指令值(i_{_qref})。

4.根据权利要求3所述的一种混合动力汽车电机控制方法，其特征在于：所述步骤(b)中d/q轴电流指令修正值(i_{_derr}、i_{_qerr})，按下面步骤获得：

(i)由d/q轴电压指令值(u_{_dref}、u_{_qref})与直流母线电压值(V_dc)按下式得到此刻的PWM调制指数(M)：

$M=\frac{\sqrt{{\left(U_{\mathrm{dref}}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{qref}}\right)}^2}}{\frac{2}{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{dc}}}$

(ii)根据预先设定的PWM调制指数阈值(M_th)，通过此处计算的PWM调制指数(M)与预先设定的PWM调制指数阈值(M_th)的PI控制得到理论d轴电流修正值(i_{_derr1})，当理论d轴电流修正值(i_{_derr1})大于零时，电流调节器未饱和，此时d轴电流指令修正值(i_{_derr})为0，d轴电流，无需切换到弱磁运行状态，否则d轴电流指令修正值(i_{_derr})等于理论d轴电流修正值(i_{_derr1})，电机自然切换到弱磁运行状态。

5.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车电机控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中的d/q轴电压指令值(u_{_dref}、u_{_qref})由d/q轴电流指令值(i_{_dref}、i_{_qref})、电机的速度(ω)以及电流反馈值(i_d、i_q)通过以下步骤运算得出：

(A)d轴电压矢量为对d轴电流指令值(i_{_dref})与d轴电流反馈值(i_d)的PI控制输出值减去电机极对数(p、ω)、q轴电感(L_q)以及q轴电流反馈值(i_q)的乘积；

(B)q轴电压矢量为对q轴电流指令值(i_{_qref})与q轴电流反馈值(i_q)的PI控制输出值与电机极对数(p、ω)、q轴电感(L_d)以及q轴电流反馈值(i_d)的乘积以及电机极对数(p、ω)、永磁磁链(ψ_m)的乘积之和。

6.一种电机控制装置，包括输入接口和运算中心，其特征在于：

所述输入接口包括传感器输入接口和与CAN BUS的接口，分别与电机转子位置传感器、电机输入电流传感器、直流母线电压传感器和汽车的CAN BUS总线相连；

所述运算中心包括：固定/同步坐标变换单元、d/q轴电流指令运算单元、d/q轴电流指令修正单元、电压矢量指令运算单元、同步/固定坐标变换单元；

所述固定/同步坐标变换单元输入接所述输入接口电路，它取电机的三相电流(i_a、i_b、i_c)以及转子位置角(θ)作为输入，并运算得到d/q轴电流反馈值(i_d、i_q)输出接所述电压矢量指令运算单元；

所述d/q轴电流指令运算单元，输入分别接所述输入接口和d/q轴电流指令修正单元的输出端，它从CAN BUS接口取扭矩指令(T_ref)、从传感器输入取电机的速度(ω)、以及从d/q轴电流指令修正单元的d/q轴电流指令修正值(i_{_derr}、i_{_qerr})作为其输入，运算输出d/q轴电流指令值(i_{_dref}、i_{_qref})，接电压矢量指令运算单元的输入端；

所述电压矢量指令运算单元，输入端分别接所述d/q轴电流指令运算单元、所述固定/同步坐标变换单元和所述输入接口，分别它取d/q轴电流指令运算单元的d/q轴电流指令值(i_{_dref}、i_{_qref})、电机的速度(ω)以及固定/同步坐标变换单元的d/q轴电流反馈值(i_d、i_q)作为其输入，并运算得到d/q轴电压指令值(u_{_dref}、u_{_qref})，输出接同步/固定坐标变换单元和d/q轴电流指令修正单元的输入端；

所述的d/q轴电流指令值修正单元，接收端分别接所述电压矢量指令运算单元和所述输入接口，它取电压矢量指令运算单元d/q轴电压指令值(u_{_dref}、u_{_qref})以及传感器输入的直流母线电压(V_dc)为输入，运算输出d/q轴电流指令修正值(i_{_derr}、i_{_qerr})，输出接所述d/q轴电流指令运算单元；

所述同步/固定坐标变换单元，输入端分别接所述电压矢量指令运算单元和所述输入接口，它取电压矢量指令运算单元的d/q轴电压指令值(u_{_dref}、u_{_qref})以及传感器输入的转子位置角(θ)作为其输入，并运算得到三相电压值(u_a、u_b、u_c)输出接逆变器，由逆变器控制电机的三相电压。

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