CN101450630A - 一种混合动力汽车中电机速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力汽车中电机速度控制方法。在电机控制单元中，接收电机转子位置传感器检测的位置信号，进行模数转换和误差补偿，通过锁相环技术，计算出转子的当前速度和位置，并结合提供的参考速度，利用锁相环反馈技术，控制电机按规定的速度转动。包括以下步骤：A.检测当前转子的位置信号；B.计算出转子的当前速度和位置；C.对当前速度和参考速度进行锁相环控制，产生速度信号输出。本发明是一种典型的数字锁相环控制速度输出方法，转子的当前速度和位置信号在锁相环中都已经计算出来了，减少了位置计算的时间延时，锁相环的控制算式中没有采用微分或差分运算，即使在高速的采样率下，噪声对速度的影响也会明显减小。

Description

一种混合动力汽车中电机速度控制方法

技术领域

本发明涉及对电机转子速度的控制方法，特别涉及一种永磁同步电机作为混合动力汽车ISG电机使用时，利用锁相环回路对电机速度进行控制的方法。

背景技术

随着混合动力汽车技术的不断发展，以油电混合为动力的混合动力汽车已逐渐被认可，市场前景十分巨大。电机作为油电混合动力的关键设备，对它进行精确的速度控制不但可以提高电机效率，还可以最大程度的提高整个动力系统的系统效率。永磁同步电机，尤其是内嵌永磁体的永磁同步电机具有高效的可调速运行的优点，因此越来越广泛地应用于包括油电混合动力系统在内的各个领域。

目前，对电机转速进行测量有许多方法，如图1所示，为本申请人设计的一种安装在混合动力汽车电机内的位置传感器装置。该位置传感器包括探测器2和目标盘1，安装在电机的一端，目标盘1为一环状盘，其外侧花纹形状为正弦曲线或余弦曲线，由铝或铁等金属材料制成，安装固定在转子的支架7上，与转子4一起绕转子支架轴6旋转，探测器2通过传感器安装支架5(图中未画出延伸部份)安装在定子3端盖上。

探测器2包括硬件电路和探头线圈，硬件电路提供高频振荡电流流入探头线圈，在探头线圈中产生交变的磁场。探测器由直流5V电压供电，输出转子磁极位置角正弦和余弦的位置模拟信号，该两路模拟信号输出连接至电机控制单元(MCU)中的DSP芯片的两个AD通道，由DSP对电机的转子位置信号进行解码和误差补偿，得到电机转子的当前位置。

在电机控制芯片测量到准确的电机转子转速后，结合混合动力汽车控制单元(HCU)设定的电机转速，对电机进行进一步的控制，使电机按照规定的速度转动。但是，当传感器测得转子的正弦和余弦位置模拟信号后，为获得精确的转子位置和速度，目前传统的计算控制方法是基于将正弦除以余弦得到正切，再求反正切得到角度位置θ，对θ进行差分运算计算出速度ω的值，接着再对ω进行速度控制，输出稳定的转速。采用这种方法具有以下不足的地方：

1、随着采样时间的增加，测量误差通过差分运算后会逐渐被放大；

2、在低速时，由于测量不精确等原因，这种方法很难得到实际应用；

3、在高速时，若采用增加低通滤波器来获得稳定的转速控制，则会产生相位的延时。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种混合动力汽车中电机速度控制的数字控制方法。该方法采用锁相环控制方式。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种混合动力汽车中电机速度控制方法，在电机控制单元中，接收电机转子位置传感器检测的当前位置信号，进行模数转换和误差补偿，通过锁相环技术，输出转子的当前速度和位置，并结合提供的参考速度，利用锁相环反馈技术，控制电机按规定的速度转动，包括以下步骤：

A、检测当前转子的位置信号；

B、计算出转子的当前速度和位置；

C、对当前速度和参考速度进行锁相环控制，产生速度信号输出。

本方案是一种典型的数字锁相环控制速度输出方法，转子当前的速度和位置信号在锁相环中都已经计算出来了，不需要进行差分计算，它具有以下的优点：

(1)没有采用反正切函数这样耗时的运算量，减少了位置计算的时间延时；

(2)实际上，一个普通的低通滤波器在算法上对减小噪声影响的作用很小，因此没有直接地对输入的正弦和余弦信号增加低通滤波器，这大大地减少了算法的执行时间；

(3)速度计算和位置信号的采样率相同，相位延时对速度测量的影响很小；

(4)式子中没有采用微分或差分运算，即使在高速的采样率下，噪声对速度的影响也会明显减小。

以下将结合附图，对本发明的各较佳实施例进行较为详细的说明。

附图说明

图1本发明实施例中的混合动力永磁同步电机转子位置传感器安装示意图；

图2本发明混合动力汽车中电机速度控制方法流程图；

图3本发明中的转子位置检测和误差补偿流程图；

图4本发明中的位置信号锁相环回路框图；

图5本发明中的速度控制锁相环回路框图；

图6本发明实施例中的速度锁相环控制流程图。

图中：1信号盘，2探测器，3定子，4转子，5位置传感器支架，6转轴，7转子支架；

具体实施方式

实施例一，如图2所示：一种混合动力汽车中电机速度控制方法，电机控制单元(MCU)接收电机转子位置传感器检测的位置信号，进行模数转换(A/D转换)和误差补偿后，通过锁相环技术，输出转子的当前速度和位置，并结合提供的参考速度，利用锁相环反馈技术，控制电机按规定的速度转动，包括以下步骤：

A、检测当前转子的位置信号；

B、计算出转子的当前速度和位置；

C、对当前速度和参考速度进行锁相环控制，产生速度信号输出。

其中，步骤A包括以下分步骤：

A1、电机转子位置传感器输出正弦和余弦的位置模拟信号；

A2、将正弦和余弦的位置模拟信号输入至电机控制单元的数字信号处理器的模数转换通道。

如图3所示，步骤B包括以下分步骤：

B1、对位置信号进行解码和补偿；

B2、对位置信号进行锁相环控制，输出转子的当前速度和位置。

当动力系统启动时，电机涡流位置传感器开始检测电机转子的运转情况，并实时输出正弦和余弦对时间的两路位置模拟信号，该两路信号输出连接了电机控制单元内的DSP控制芯片的两个AD通道，通过采样和编码转换成数字信号，经过DSP电机控制芯片对位置信号进行解码和误差补偿后得到sin(θ_mea)和cos(θ_mea)，并结合反馈的sin(θ_PLL(k-1))和cos(θ_PLL(k-1))信号与计算出来的ISG控制扭矩T_ISG进行位置锁相环控制，得到抗干扰的、准确的电机速度ω_PLL(S)和位置θ_PLL(S)，这里的闭环控制是一种锁相环控制。控制框图如图4所示，控制算式如下式：

θ_err(k)＝(sin(θ_mea(k))cos(θ_PLL(k-1))-cos(θ_mea(k))sin(θ_PLL(k-1)))  (a)

x₁(k)＝x₁(k-1)+ΔTK_Iθ_err(k)                                      (b)

$x_2\left(k\right)=x_2(k-1)+\mathrm{\ΔT}(x_1\left(k\right)+\frac{T_{\mathrm{ISG}}\left(k\right)}{J}+K_P{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}\left(k\right))---\left(c\right)$

θ_PLL(k)＝θ_PLL(k-1)+ΔTx₂(k)+ΔTK_Dθ_err(k)                           (d)

ω_PLL(k)＝(1-K_ωLPF)ω_PLL(k-1)+K_ωLPFx₂(k)+K_ωθ_err(k)                     (e)

其中，

ΔTAD  采样速率

θ_err   测量的角度位置误差

x₁、x₂ 中间变量

θ_PLL   经锁相回路计算出的转子位置

ω_PLL   经锁相回路计算出的转子速度

T_err   由摩擦等原因出现的扭矩误差

T_ISG       计算出来的ISG控制钮矩

J          转动轴的转动惯量

K_P、K_I、K_D 锁相环比例、积分、微分增益

K_ω        速度反馈增益

K_ωLPF     经低通滤波的速度增益。

经过上述计算和处理后，得到电机转子的当前速度ω_PLL(S)和位置θ_PLL(S)，而将电机当前速度与电机所需的速度ω_ref(S)进行比较，经过比例积分，得到增速或减速扭矩T_cnt，再结合空载或负载扭矩T_load，利用速度锁相环进行控制，如图5所示，控制算式如下式：

ω_err(k)＝ω_ref(k)-ω_mea(k)                 (f)

x₁(k)＝x₁(k-1)+ΔTK_Iωω_err(k)              (g)

T_cnt(k)＝K_Pω[K_FFω_ref(k)-ω_mea(k)]+x₁(k)     (h)

其中，

ΔT       AD采样速率

ω_err     角速度的位置误差

x₁、x₂   中间变量

K_Iω     速度积分增益

K_Pω     速度比例增益

K_FF     可调增益

T_cnt    增速或减速扭矩

T_load   空载或负载扭矩。

上式中参考速度ω_ref(S)为请求的电机速度，作为锁相环回路的输入，ω_mea(S)为根据位置信号计算测得的电机速度，作为锁相环回路的输出，也作为闭环控制的另一个比较输入。

在上述速度控制锁相环中，参考速度ω_ref(S)是指：人为要求的速度大小，即我们发送速度命令时设定的电机转速，实际上是由混合动力汽车的整车控制单元HCU产生的需求作为速度的输入。而ω_mea(S)是指：经过锁相环后，实际测量的速度输出，它可能与我们设定的参考速度有细微的偏差，用锁相环控制，就是想让它与参考速度ω_ref(S)的偏差达到最小。这个参考速度命令的发送是通过混合动力汽车上的CAN总线以消息的形式发出的，在MCU单元接收后，由DSP控制芯片进行处理和控制。

T_load是指：空载或负载扭矩，是由电机负载决定的，负载确定之后，它就是一个常量。T_cnt是指：增速或减速扭矩，是根据参考速度，通过比例积分(PI)计算出的扭矩。举例：当我们设定电机参考速度ω_ref(S)为400转/分钟时，通过PI控制，会根据此速度计算出一个对应的T_cnt，当锁相环输出ω_mea(S)变化时，T_cnt也会相应地变化，当输出ω_mea(S)和输入ω_ref(S)达到一致时，T_cnt就维持恒定。

最终得到并输出抗干扰能力强的、准确的、稳定的电机速度。

从上面的位置锁相环计算式子中可以看出，此锁相环有以下的优点：

(1)没有采用反正切函数这样耗时的运算量，减少了位置计算的时间延时；

(2)实际上，一个普通的低通滤波器在算法上对减小噪声影响的作用很小，因此没有直接地对输入的正弦和余弦信号增加低通滤波器，这大大地减少了算法的执行时间；

(3)速度计算和位置信号的采样率相同，相位延时对速度检测的影响很小；

(4)式子中没有采用微分或差分运算，即使在高速的采样率下，噪声对速度的影响也会明显减小。

从上面的速度控制锁相环式子可以看出，此锁相环是基于比例积分控制，以可调增益K_FF作为独立的前馈条件(K_FF＝0.5～1.5)，为了完成适当的控制，K_FF可以做相应的调整。

实施例二，如图6所示，为本发明的一个典型实施例流程图，包括以下步骤：

1、电机位置传感器检测电机转子当前的位置信号；

2、传感器将检测的位置信号以正弦和余弦的模拟信号形式输出；

3、在MCU内，DSP的A/D通道将接收的正弦和余弦的位置模拟信号进行数模转换，并进行解码和补偿；

4、在DSP内，对经过补偿的位置信号进行位置锁相环控制；

5、闭环输出当前速度和位置信号；

6、当MCU接收到HCU发送的速度消息命令后，以设定的参考速度和实际测得的当前速度进行速度锁相环控制，维持稳定的速度输出，使电机按规定的参考速度运行。

在上面的流程图中，假设空载或负载扭矩已经确定，开始时，电机速度为0转/分钟，现在通过HCU发送一个参考速度，比如400转/分钟作为输入，让电机能在400转/分钟的转速下稳定运行。根据位置和速度的锁相环测量方法，测出当前的速度(因为是开始时，实际上为0转/分钟)，并与参考速度(400转/分钟)作比较，比较它们的差值，经过计算，得出此速度对应的增速或减速扭矩，经过速度锁相环控制后，速度输出会从0转/分钟增至400转/分钟并维持稳定。根据位置和速度锁相环的设计情况，实际输出的速度与输入的参考速度可能会有细微的偏差。

Claims (6)

1、一种混合动力汽车中电机速度控制方法，在电机控制单元中，接收电机转子位置传感器检测的当前位置信号，进行模数转换和误差补偿，通过锁相环技术，输出转子的当前速度和位置，并结合提供的参考速度，利用锁相环反馈技术，控制电机按规定的速度转动，包括以下步骤：

A、检测当前转子的位置信号；

B、计算出转子的当前速度和位置；

C、对当前速度和参考速度进行锁相环控制，产生速度信号输出。

2、根据权利要求1所述的混合动力汽车中电机速度控制方法，其特征在于：步骤A中，是按以下步骤检测出当前转子的位置信号的：

A1、电机转子位置传感器输出正弦和余弦的位置模拟信号；

A2、将正弦和余弦的位置模拟信号输入至电机控制单元的数字信号处理器的模数转换通道。

3、根据权利要求1所述的混合动力汽车中电机速度控制方法，其特征在于：步骤B中，是按以下步骤计算出转子的当前速度和位置的：

B1、对位置信号进行解码和补偿；

B2、对位置信号进行锁相环控制，输出转子的当前速度和位置。

4、根据权利要求3所述的混合动力汽车中电机速度控制方法，其特征在于：步骤B2中，转子的当前速度和位置是通过对解码和补偿后的位置信号进行锁相环控制而获得的，采用了以下控制算式：

θ_err(k)＝(sin(θ_mea(k))cos(θ_PLL(k-1))-cos(θ_mea(k))sin(θ_PLL(k-1)))         (a)

x₁(k)＝x₁(k-1)+ΔTK_lθ_err(k)                                            (b)

$x_2\left(k\right)=x_2(k-1)+\mathrm{\ΔT}(x_1\left(k\right)+\frac{T_{\mathrm{ISG}}\left(k\right)}{J}+K_P{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}\left(k\right))---\left(c\right)$

θ_PLL(k)＝θ_PLL(k-1)+ΔTx₂(k)+ΔTK_Dθ_err(k)                                 (d)

ω_PLL(k)＝(1-K_ωLPF)ω_PLL(k-1)+K_ωLPFx₂(k)+K_ωθ_err(k)        (e)

其中，

ΔT                   AD采样速率

θ_err                 测量的角度位置误差

x₁、x₂               中间变量

θ_PLL                 经锁相回路计算出的转子位置

ω_PLL                 经锁相回路计算出的转子速度

T_err                 由摩擦等原因出现的扭矩误差

T_ISG                 计算出的ISG控制钮矩

J                    转动轴的转动惯量

K_P、K_I、K_D           锁相环比例、积分、微分增益

K_ω                   速度反馈增益

K_ωLPF                经低通滤波的速度增益。

5、根据权利要求1所述的混合动力汽车中电机速度控制方法，其特征在于：步骤C中，对速度信号进行锁相环控制过程中，利用了参考速度和步骤B中测得的转子当前速度，对速度进行锁相环控制后输出，包括以下控制算式：

ω_err(k)＝ω_ref(k)-ω_mea(k)                   (f)

x₁(k)＝x₁(k-1)+ΔTK_Iωω_err(k)                (g)

T_cnt(k)＝K_Pω[K_FFω_ref(k)-ω_mea(k)]+x₁(k)      (h)

其中，

ΔT              AD采样速率

ω_err            角速度的位置误差

x₁、x₂          中间变量

K_Iω             速度积分增益

K_Pω             速度比例增益

K_FF             可调增益

T_cnt           增速或减速扭矩

T_load          空载或负载扭矩。

6、根据权利要求1至5所述的任何一种混合动力汽车中电机速度控制方法，其特征在于：所述的电机转子位置传感器为涡流位置传感器，其输出含有转子位置信息的正弦信号和余弦信号。

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