CN101821937B - 嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，包括以下步骤：将第一转子(4)的轴与发动机的轴直接连接；由第一伺服驱动器(7)根据第一转子和第二转子的相对位置以及控制单元(8)给出的第一电机的扭矩设定值对第一转子(4)和第二转子(5)之间的耦合扭矩进行伺服控制，以实现发动机工作点独立于整车运行状态的独立调节；以及由第二伺服驱动器(12)根据第二转子的位置以及控制单元给出的第二电机的扭矩设定值对定子(6)和第二转子之间的耦合扭矩进行伺服控制，以实现第二电机对整车的驱动。

Description

嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法
技术领域
本发明涉及一种电机的伺服控制系统的运行控制方法，尤其涉及一种用于混合动力汽车的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法。
背景技术
由于能源紧缺，油价不断攀升，纯燃油发动机驱动的汽车油耗大、污染大成为关注焦点，原因与其发动机不便调整工作点、效率低有关，各国都加快了电动车的研究。
多年的研究发现纯电动车存在很多问题，主要是目前的蓄电池性能不能满足驱动车辆的要求。蓄电池的能积比与汽油相比相差甚远，因此纯电动车的续航能力都很有限。此外是充电时间长，转换效率低。快速充电用时虽短，但蓄电池效率更加降低。特别是蓄电池反复充电的次数有限，使用时间越长，其容量越低，一般很快就报废了，大量的废旧电池将又造成环境污染。
目前研究表明油电混合动力车是比较现实可行的节能车，因此研究的重点转移到油电混合动力车。这种车配备了燃油发动机和蓄电池，同时还有发电机和电动机。其设计原理是通过发动机、发电机/电动机、蓄电池参与调节发动机的工作点，使发动机的转速和扭矩匹配在经济运行区，从而使燃油发动机间歇或持续高效运行以实现消耗等量燃油获得更大的动能。通常的方法是根据车辆行驶状况的需要，将燃油发动机产生的机械动能一部分输出给驱动轴、使之获得一定的转矩和转速，其余的动能则用于驱动发电机发电并存贮于蓄电池，当特定地段或蓄电池电量饱和时，蓄电池带动电动机驱动车辆行驶。也可使燃油发动机间歇运行于高效率状态，其动能由发电机转为电能直接传递给电动机或存储于蓄电池，电动机驱动汽车运行。这样，燃油发动机的运行效率有所提高。
现有油电混合动力车的动力结构方案有串联式、并联式和串并联混合式。虽然实现了不同程度的节能，但现有的动力结构均存在一定的局限性，直接影响整车制造成本和节能效果。目前的油电混合动力车的动力结构难以满足进一步改进性能和实用的要求。
申请于1997年3月7日并于1999年10月26日授权公告的丰田公司的美国专利US5973460A描述了一种由离合器电机和辅助电机组成的双电机结构。该专利文献所采用的第一驱动电路和第二驱动电路实际为两个变频器。在各自变频器的驱动下，实现启动时有足够输出但不致损坏电瓶，并且减小电机尺寸的目的。另外，该两个变频器通过对各自电机的扭矩进行调节，可以调整发动机的工作点，以便实现经济运行。但该专利在调整扭矩时采用的变频器技术不足以实现精确、快速调整。特别是在控制离合器电机时，采用了一种可旋转的变压器结构，以将电能从初级线圈通过电磁感应传送到次级线圈，试图在向旋转中的电枢绕组提供可靠的电流控制，但变压器的传输能量的模式决定了该结构不能在离合器电机两个转子之间的相对运动转速比较低的情况下进行有效的绕组电流控制，既而也就不可能对离合器电机进行精确的扭矩控制。具体而言，当其内转子和外转子的相对转速很低时，变压器将工作在频率很低的状态，电磁感应式的变压器在低频供电的情况下能量传递的效率以及单位体积能传递的能量大小都是是很低的，尤其是，当其内转子和外转子的相对转速为零时，变压器的原边和副边都将是直流(即电流交变频率为零)，安装于原边的第一驱动电路根本无法对变压器次边的电流(即电机绕组的电流)实施有效的控制，当然也就不能对电机实施有效的扭矩控制，当然也就不能使得发动机总是工作在最佳效率点。
申请于1997年7月22日并于1999年10月26日公开的日立公司的欧洲专利申请EP0820894A2也描述了一个类似的结构，采用两个逆变器(inverter)对电机进行控制，该两个逆变器实际上为两个变频器。主、辅两台电机连接各自的变频器，在控制单元的控制下，实现在输入轴与输出轴之间的高效率无级调速和调扭矩；通过无级传动的齿轮比控制，使得电机系统工作于任意转矩和转速区域。但由于该专利申请采用的仍是变频器驱动方案，扭矩控制的精度和响应速度大打折扣。另外，其采用的蓄电池与直流母线直接连接的方案，使蓄电池的充放电不独立可控。再者，当其输出驱动轴的工作点本来就位于效率相对较高的三角形区域时，发动机的速度和扭矩追随外负载的变化，从而不能实现发动机工作点不随外负载影响而稳定工作在最佳效率曲线上的效果。
申请于2005年7月7日并公开于2006年2月22日的公开号为CN1738163A的中国汽车技术研究中心的专利申请披露了一种嵌套式双转子混合动力复合永磁电机组件结构，由内外两个径向式磁路结构构成，分内转子、外转子、定子三大部件构成。通过控制两个电机组件使其协调工作可以使发动机运行于较高效率点，从而提高整个系统的效率。但是由于该系统内转子是内电机绕组，体积相对较小，发热相对集中，其冷却方式需要通过旋转的液体通道来进行，密封不易处理，因而实用性不够。而且其未具体揭示实现电机组件精确控制的结构和方法，以及如何将发动机工作点调整到最高效率点。
综上，美国专利US5973460A、欧洲专利申请EP0820894A2以及中国专利申请CN1738163A都未能提出电机组件的实用化的实施方案。
发明内容
为了克服现有技术中当内转子和外转子的相对转速很低或者为零时不足以实现精确而快速地调整电机扭矩的缺陷，本发明提出一种嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，这种嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法可实现发动机的工作点的独立调节，从而实现工作点不随外负载影响而稳定工作在最佳效率曲线上。并使得采用该嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法的混合动力车输出的动力更具有灵活操控性。
本发明解决上述技术问题的方案是，提供一种嵌套式电机组件的伺服控制系统，其中，该嵌套式电机组件的伺服控制系统包括由里及外依次嵌设的第一转子、第二转子和定子，第二转子上嵌设有为定子提供磁场的外层磁极和为第一转子提供磁场的内层磁极，定子与第二转子构成第二电机，第一转子与第二转子构成第一电机，第二转子的轴为该嵌套式电机组件的输出轴，第一转子的轴为该嵌套式电机组件的动力输入轴；所述嵌套式电机组件的伺服控制系统还包括与该第一电机相关联的第一伺服驱动器，与该第二电机相关联的第二伺服驱动器，以及连接到该第一、第二伺服驱动器的控制单元，所述运行控制方法包括以下步骤：将第一转子的轴与发动机轴直接连接；由第一伺服驱动器根据第一、第二转子的相对位置以及控制单元给出的第一电机的扭矩设定对第一转子和第二转子之间的耦合扭矩进行伺服控制，以实现发动机工作点独立于整车运行状态的独立调节；以及由第二伺服驱动器根据第二转子的位置以及控制单元给出的第二电机的扭矩设定对定子和第二转子之间的耦合扭矩进行伺服控制，以实现第二电机对整车的驱动。
与现有技术中基于变频器的控制方案相比，本发明采用了扭矩伺服控制的方法，可以作到无论第一电机的第一、第二转子旋转与否、旋转相对速度如何，该第一电机对发动机施加的负载扭矩都可精确控制，因而可方便地将发动机控制在其最佳燃油效率曲线上以获得最经济运行。并且，第一伺服驱动器由于其本身的“伺服”控制特性从而可以精确控制第一电机，继而对第一电机进行精确的扭矩伺服控制。而在美国专利US5973460A中，其采用的方法是通过常规变频器的3-2及2-3矢量解析方法进行的，并且其离合器电机的控制甚至还插入了可旋转变压器这一个能量传输环节，这样的控制模式，至今未见有能够象本发明采用伺服控制技术一样能精确控制电机扭矩的理论分析与实际产品。
本发明进一步解决的技术问题是减少系统的能量耗散，该进一步所解决的技术问题是通过下面的进一步技术方案来实现的，即所述定子和第一转子均包含电枢绕组，所述第一伺服驱动器通过安装在第一转子轴上的滑环直接对第一转子上的电枢绕组加载相应的电流矢量，以对第一电机进行扭矩伺服控制；所述第二伺服驱动器直接对定子上的电枢绕组加载相应的电流矢量，以对第二电机进行扭矩伺服控制。由于滑环采用导电体直接接触的方式，滑环的目的是将第一伺服驱动器送出的电流直接送到第一电机绕组上，这种方式除摩擦发热和接触电阻发热外，几乎无能量损失。而在美国专利US5973460A中，其采用的变压器结构，即使能够在额定工作频率点(即内转子与外转子的相对转动速度为额定速度)传递能量，其能量传递效率也是不及本发明的。
根据本发明的一个方面，第一转子的轴上安装有测量第一转子位置/转速的第一速度/位置传感器，第二转子的轴上安装有测量第二转子位置/转速的第二速度/位置传感器，该第一、第二转子的相对位置是通过所述第一、第二速度/位置传感器而获得的，其中该第一速度/位置传感器连接到第一伺服驱动器；该第二速度/位置传感器连接第一与第二伺服驱动器。
根据本发明的另一个方面，对第一转子和第二转子之间的耦合扭矩进行伺服控制的步骤包括以下步骤：第一伺服驱动器从第一速度/位置传感器获取第一转子的绝对位置信号θ1，从第二速度/位置传感器获取第二转子的绝对位置信号θ2，求取第一转子相对于第二转子的位置角度(θ1-θ2)；按电流矢量与反电势矢量同相位的原则获取第一转子绕组的电流矢量方向；读取来自控制单元的扭矩设定值，计算电流矢量的大小；求取三相电流的瞬时给定值ia1、ib1、ic1；分别进行三相电流闭环控制；以及驱动功率放大电路。
根据本发明的另一个方面，对定子和第二转子之间的耦合扭矩进行伺服控制的步骤包括以下步骤：第二伺服驱动器从第二速度/位置传感器获取第二转子的绝对位置信号θ2；按电流矢量与反电势矢量同相位的原则获取定子绕组的电流矢量方向；读取来自控制单元的扭矩设定值，计算电流矢量的大小；求取三相电流的瞬时给定值ia2、ib2、ic2；分别进行三相电流闭环控制；以及驱动功率放大电路。
为了克服现有结构中第一电机绕组体积相对较小，发热相对集中，其冷却方式需要通过旋转的液体通道来进行，使密封不易处理，因而实用性不够的缺陷，本发明还提供一种嵌套式电机组件结构，包括由里及外依次嵌设的定子、第二转子和第一转子，其中，第二转子上嵌设有为定子提供磁场的内层磁极和为第一转子提供磁场的外层磁极，第二转子与定子构成第二电机，第一转子与第二转子构成第一电机，第二转子的轴为该嵌套电机组件的输出轴，第一转子的轴为该嵌套电机组件的动力输入轴。采用这种结构的嵌套式电机组件，其主要发热源为最里层的定子绕组和最外层的第一转子绕组。在定子叠片里预埋有冷却液的流道，由于是固定结构，其密封十分简单。另一主要发热源第一转子由于处于最外层，发热点比较分散，表面空气流速比较大，通常可自然冷却，必要时还可在外壳增加冷却油的喷淋管对第一转子采用油浴的办法进行冷却。
本发明嵌套式电机组件的伺服控制系统的的运行控制方法的进一步优点为：该第一、第二伺服驱动器根据运行要求分别对第一、第二电机加载不同的扭矩，该嵌套式电机组件即可按功率透过、发电储能、用电做功、制动回馈电能的新型动力传递方法运行；另外，该嵌套式电机组件的伺服控制系统可对发动机伺服加载适当扭矩，使发动机工作于最佳效率曲线上，消耗等量燃油获得更大的动能；再者，实施本发明嵌套式电机组件的伺服控制系统结构上解决了对转动部件通入冷却液进行冷却存在的流道密封的问题，所需的成本低，适合于推广应用。
附图说明
图1为本发明所涉及的嵌套式电机组件的伺服控制系统的结构示意图；
图2为第一电机扭矩伺服控制方法的示意性流程图；
图3为第二电机扭矩伺服控制方法的示意性流程图；以及
图4为本发明所涉及的嵌套式电机组件的另一结构形式。
图中，附图标记和元件之间的对应关系如下：
1、第一速度/位置传感器，2、输入轴，3、滑环，4、第一转子，5、第二转子，6、定子，7、第一伺服驱动器，8、控制单元，9、公共直流母线，10、用电单元，11、储能单元，12、第二伺服驱动器，13、第二速度/位置传感器，14、输出轴，15、输出齿轮，16、冷却液流道。
具体实施方式
本发明设计的嵌套式电机组件的伺服控制系统实施例结构如图1所示，包括定子6、第二转子5和第一转子4，定子6为电枢绕组，处于最外层，固定于机壳；第二转子5处于定子6内，其上嵌有内外层永磁磁极，第二转子5的外层磁极为定子6提供磁场，第二转子5与定子6构成第二电机。第一转子4为电枢，位于第二转子5内，第二转子5的内层磁极为第一转子4提供磁场，第二转子5与第一转子4，构成第一电机。第二转子5轴为本电机输出轴14，第一转子4轴为本电机动力输入轴2。输出轴14上安装输出齿轮15，输出齿轮15与外部负载连接。输入轴2与发动机轴连接，即发动机轴即为本系统输入轴2。本发明的嵌套式电机组件的伺服控制系统还包括两个伺服驱动器、两个速度/位置传感器，输入轴2上安装第一速度/位置传感器1，用于测量第一转子4的旋转速度及所在位置。第一伺服驱动器7经滑环3连接第一转子4的绕组，第一速度/位置传感器1也与第一伺服驱动器7连接。第二转子5的轴上安装第二速度/位置传感器13，用于测量第二转子5的旋转速度及所在位置。第二速度/位置传感器13与第二伺服驱动器12和第一伺服驱动器7连接，第二伺服驱动器13连接定子6的线圈绕组。控制单元8连接第一、第二伺服驱动器7、12，第一、第二速度/位置传感器1、13接入控制单元8。控制单元8主体为计算机，其按需要给出第一、第二电机的扭矩设定。第一、第二伺服驱动器7、12经公共直流母线9连接。公共直流母线9连接储能单元11，还可连接用电单元10。储能单元10内包含电容、蓄电池及其充放电控制和保护线路。
嵌套式电机组件的伺服控制系统的第一转子4与发动机的轴同步转动，第一、第二电机均可四象限运行，在各自的伺服驱动器控制下工作于发电机或电动机状态。所述第一、第二电机为永磁同步伺服电机或无刷直流电机。
本发明设计的嵌套式电机组件的另一实施例结构如图4所示，包括定子6、第二转子5和第一转子4，定子6为电枢绕组，处于最内层，固定于机壳；第二转子5处于定子6外，其上嵌有内外层永磁磁极，第二转子5的内层磁极为定子6提供磁场，第二转子5与定子6构成第二电机。第一转子4为电枢绕组，位于第二转子5外，第二转子5的外层磁极为第一转子4提供磁场，第二转子5与第一转子4，构成第一电机。第二转子5轴为本电机输出轴14，第一转子4轴为本电机动力输入轴2。输出轴14上安装输出齿轮15，输出齿轮15与外部负载连接。输入轴2与发动机轴连接，即发动机轴即为本系统输入轴2。在定子6的叠片中还预埋了冷却液的流道16，本结构的第一转子4处于最外层，发热点相对分散，散热条件较好，一般可采用自然冷却的方式，但必要时也可在外壳上安装冷却油的喷淋管(图中未画出)，对第一转子采用油浴冷却的结构进行冷却。本嵌套电机组件的伺服控制系统的伺服部分的结构配置与图1描述的结构相同。
下面对本发明的两种嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法、机理及其有益效果进行详细描述。
在外部发动机运行的情况下，第一转子4在与其连接的外部发动机的机械动能驱动下转动，第一伺服驱动器7对第一电机进行扭矩伺服控制，使得第一转子4对发动机施加负载扭矩。调整第一电机的扭矩设定，即可使发动机的扭矩与转速按发动机最佳效率曲线数据匹配，使发动机工作点始终保持在最佳效率曲线上，达到节能目的。当第一转子4受到第二转子5的电磁扭矩时，第二转子5同时受到第一转子4的反作用力，该反作用力通过输出齿轮15传递到外部负载、直接对外做功，此输出的功率为透过功率。此时沿着发动机的转动方向，如果第二转子5转动速度低于第一转子4的转速，则第一电机处于发电机状态运行，它所发出的电能通过第一伺服驱动器7输送到公共直流母线9上的储能单元11或用电单元10；如果第二转子5转动速度高于第一转子4的转速，则第一电机处于电动机状态运行，它从公共直流母线9取用的电能通过第一伺服驱动器7和第一电机转换为第二转子5的动能，与发动机透过来的能量一起送至输出轴14。与此同时，如果第二伺服驱动器12获得的扭矩设定方向与第二转子5旋转方向相同，则第二伺服驱动器12通过公共直流母线9吸收电能，驱动第二电机工作于电动机状态，第二转子5转动的动能也通过输出齿轮15对外部负载做功；如果第二伺服驱动器12获得的扭矩设定方向与第二转子5旋转方向相反，则第二伺服驱动器12控制第二电机处于发电机状态运行，将轴上的机械能量转变为电能送入公共直流母线9，第二电机对负载进行电气制动回馈电能。
本嵌套式电机组件在其伺服驱动器控制下，按功率透过、发电储能、用电做功、制动回馈电能的新型动力传递方法运行。当第一伺服驱动器7控制第二转子5向第一转子4施加与发动机轴转动方向相反的力矩时，由于作用力与反作用力的原理，第一转子4也同时向第二转子5施加大小相等、方向相反的力矩，即此时第二转子5同时受到的电磁扭矩方向与第一转子旋转方向相同。此时第二转子5带动负载转动，即第二转子5对外输出机械功率，此功率是本伺服系统控制运行过程中从发动机得到的动能、经第一转子4、再经过其内第二转子4、5的电磁耦合、直接透过到负载的机械功率，故称其为透过功率。电磁耦合的透过功率不经过任何衰减、100％地送达最终负载。第一转子4获得的机械功率与第二转子5输出的机械功率之差即为第一电机用来发电的功率。该部分功率乘以第一电机及第一伺服驱动器7的综合发电效率即为第一电机输出到公共直流母线9的电功率。
本发明的嵌套式电机伺服系统的控制运行方法，由于部分能量不经衰减100％送达负载侧，因而总的效率远高于传统的发电-储能-用电驱动方式。
当外部发动机停止运转时，第二伺服驱动器12可通过公共直流母线9吸收电能，使第二电机按电动机模式运行，对外部负载做功；第一伺服驱动器7使第一转子绕组的电流矢量大小为零，第一转子4与第二转子5之间电磁力为零，第一转子4静止，第二转子5转动。此时的第一电机实现了通常离合器的“离”的功能。
当在静止状态需要启动发动机时，需外力协助发动机由停止进入运转状态，第一、第二电机可经其伺服驱动器通过公共直流母线9吸收电能，按电动机模式运行，第一、第二电机施加在第二转子5的扭矩大小相等方向相反，故输出轴静止，而第二转子5对第一转子4的作用扭矩使与第一转子4连接的外部发动机转动。
当汽车在静止状态需要启动发动机时，还可以控制第二电机进行零速控制或位置锁定，使得第二转子5输出轴静止，主体为计算机的控制单元8通过第一伺服驱动器7控制第一电机的第二转子5对其第一转子4施加扭矩使与第一转子4直连的外部发动机转动。
当汽车在运行状态需要启动发动机时，需外力协助发动机由停止进入运转状态，控制单元8在原先第二电机单独驱动运行所需的扭矩基础上，同时对第一、第二电机叠加大小相等方向相反的扭矩，在保证第二转子5轴输出力状态不变的前提下，第二转子5对第一转子的作用扭矩使与第一转子4直连的外部发动机转动。
当汽车制动时，控制单元8可对第二伺服驱动器12施加反向的扭矩设定，第二伺服驱动器12控制第二电机工作于正向转动、反向出力的发电机状态，汽车运动系统经第二转子轴送入的动能被转化为电能传送至公共直流母线9，第二转子5对输出轴的反向扭矩使汽车制动。上述制动过程中，第一电机有两种工作状态：其一是第一伺服驱动器7控制第一电机向发动机施加有限的顺拖负载扭矩，即所施加的扭矩与发动机转动方向相同，但其力量不会使发动机熄火，此时第一电机对第二转子5的透过扭矩为制动方向的扭矩，可一定程度上辅助第二电机的电制动，并回馈制动能量到直流母线9；其二为第一伺服驱动器7使第一电机绕组的电流矢量大小为零，第一、第二转子4、5间电磁力为零，外部负载制动时仅第二电机按发电机模式运行进行电制动。制动时动能转化为电能到达直流母线9，储能单元11根据自身充电策略吸收这些能量，从而提升整体效率。
控制单元8可对第二伺服驱动器12施加反向的扭矩设定，第二伺服驱动器12控制第二电机工作于正向转动、反向出力的发电机状态，负载经第二转子5送入的动能被转化为电能传送至公共直流母线9，第二转子5对输出轴的反向扭矩使负载制动。上述制动过程中，第一电机有两种工作状态：其一是第一伺服驱动器7控制第一电机向发动机施加有限的顺拖负载扭矩，即所施加的扭矩与发动机转动方向相同，但其力量不会使发动机熄火，此时第二转子5对外的透过扭矩为制动方向的扭矩，可一定程度上辅助第二电机的电制动，并回馈制动能量到公共直流母线9；其二为第一伺服驱动器7使第一转子绕组的电流矢量大小为零，第一转子4与第二转子5间电磁力为零，外部负载制动时仅第二电机按发电机模式运行进行电制动。
根据整个伺服控制系统的运行状况，本嵌套式电机组件的第一、第二电机都可以在其伺服驱动器的控制下实现独立的四象限运行。
与常规的双电机组件的运行控制方法相比，本发明的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行方法的优点为：
1、不受外负载影响，可通过伺服驱动器独立对燃油发动机的轴加载，便于调整燃油发动机工作点使其使用等量燃油输出更大动能。2、发动机的动能一部分以机械能直接传递，另一部分转为电能传递；相对于发动机的纯机械能传递结构，本发明因可调整燃油发动机工作点、使燃油化学能转为动能的效率更高；相对于发动机的动能全部转换为电能后再经电动机驱动汽车的串联传递的动力结构，因一部分动能以透过功率方式100％直接传递到负载侧，发动机的动能转为外负载机械能的平均效率进一步得到提高；3、伺服驱动器调节与发动机连接的第一电机的第一、第二转子相互作用扭矩，使两者可相互无作用力或以某一可控的扭矩接合，实现了离合器的功能；4、燃油发动机、第一电机、第二电机三个动力源以电磁力方式耦合，实现非接触式功率或扭矩叠加，组合灵活、控制方便，无结合噪音和磨损；5、第一、第二电机均可在伺服驱动器控制下实现四象限工作，便于各个动力的组合；6、第一、第二电机可四象限工作，便于实现回收制动能或辅助发动机出力；7、本嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法适合用于油电混合动力车，相对于串联式、并联式、混合式的动力结构，大大简化了油电混合动力车的结构，进一步提高整车燃油能量的利用效率，节能效果明显，成本下降明显。
更具体而言，在本发明嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法中，第一电机扭矩伺服控制方法见图2，第一伺服驱动器11从第一速度/位置传感器1获取第一转子4的绝对位置信号θ1(步骤201)，从第二速度/位置传感器13获取第二转子的绝对位置信号θ2(步骤202)，求取第一转子相对于第二转子的位置角度(θ1-θ2)(步骤203)，按电流矢量与反电势矢量同相位的原则获取第一转子绕组电流矢量的方向(步骤204)，读取来自控制单元8的扭矩设定值T1(步骤205)，计算电流矢量的大小(步骤206)，求取三相电流的瞬时给定值ia1、ib1、ic1(步骤207)，分别进行三相电流闭环控制(步骤208)，驱动功率放大电路(步骤209)，从而控制第一电机的扭矩(步骤210)。
在本发明嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法中，第二电机扭矩伺服控制方法见图3，第二伺服驱动器12从第二速度/位置传感器13获取第二转子的绝对位置信号θ2(步骤301)，按电流矢量与反电势矢量同相位的原则获取绕组电流矢量的方向(步骤302)，读取来自控制单元8的扭矩设定值T2(步骤303)，计算电流矢量的大小(步骤304)，求取三相电流的瞬时给定值ia2、ib2、ic2(步骤305)，分别进行三相电流闭环控制(步骤306)，驱动功率放大电路(步骤307)，从而控制第二电机的扭矩(步骤308)。
本发明实施例所采用的扭矩伺服控制方法，可以与各电机转动速度无关地独立且较为精确地控制电机扭矩的大小和方向，其响应速度达到毫秒级。需要强调的是，本发明伺服控制方法的实现手段不限于上述方案，其还涵盖根据本发明的启示本领域技术人员不经过创造性劳动即可能够想到其它变形形式。
实施中，本发明嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法具体体现为以下几种形式：
①发动机未启动，第一转子4静止，第二电机单独驱动负载：
第二伺服驱动器12通过公共直流母线9汲取电能，根据第二速度/位置传感器13的信号和控制单元8给第二电机的扭矩设定，对定子6加载电流矢量，第二电机工作于电动机状态，将电能转化为动能，对负载驱动轴输出扭矩，此时第一伺服驱动器7对第一转子4加载的电流矢量为零，第一转子4与第二转子5相互作用力也为零第一转子4维持静止。
进行倒车时，控制单元向第二伺服驱动器13提供负的扭矩设定，可对第二电机输出反向扭矩，驱动输出轴14反向运转。
②在启动发动机时，需外力协助将发动机由停止牵入运转状态，第一、第二伺服驱动器7和12通过公共直流母线9吸收电能，控制第一、第二电机按电动机模式运行，带动发动机的轴转动：
当混合电动车未启动时，嵌套式电机输出初始扭矩为零。启动发动机时，第一伺服驱动器7根据第一、第二速度/位置传感器1、13的位置信号得到第一转子4、第二转子5的相对位置，同时根据控制单元8的扭矩设定给第一转子4的绕组施加电流矢量，对第一电机进行扭矩伺服控制；同时控制单元8给第二伺服驱动器12提供大小相等方向相反的扭矩设定，第二伺服驱动器12根据此扭矩设定及第二速度/位置传感器13的位置信号给第二电机的定子6加载电流矢量对第二电机进行扭矩伺服控制，使第一电机施加在第二转子5和第二电机施加在第二转子5的扭矩大小相等方向相反，第二转子输出轴静止，而第二转子5对其第一转子4的作用扭矩则驱动第一转子4带动发动机的轴转动。
当混合电动车正常运行时，第一电机输出初始扭矩为零，第二电机输出的初始扭矩为维持原先的运行状态的扭矩T。启动发动机时，第一伺服驱动器7根据第一、第二速度/位置传感器1、13的位置信号得到第一转子4、第二转子5的相对位置，同时根据控制单元8的扭矩设定给第一转子4的绕组施加电流矢量，对第一电机进行扭矩伺服控制；同时控制单元8给第二伺服驱动器12的扭矩设定在初始设定的基础上叠加一个与第一伺服驱动器7设定大小相等方向相反的增量，第二伺服驱动器12根据此扭矩设定及第二速度/位置传感器13的位置信号给第二电机的定子6上的绕组加载电流矢量对第二电机进行扭矩伺服控制，这样，第二转子5的输出轴输出的合成扭矩仍维持初始时的T值，在汽车运行状态不变的前提下，第二转子5对第一转子4的电磁扭矩则驱动第一转子4带动发动机的轴转动。
③在电动车制动时，发动机以怠速运行，第一、第二伺服驱动器7、12驱动第一、第二电机工作在发电机状态，对负载驱动轴实施电气制动，同时回收制动能量：
第一伺服驱动器7根据第一转子4、第二转子5的相对位置及控制单元8的扭矩设定给第一转子4施加电流矢量，使得第一电机对发动机施加顺拖负载扭矩，即所施加的扭矩与发动机转动方向相同，但力量大小不足以使发动机熄火，此时第一电机通过第二转子5对外的透过扭矩为混合动力车制动方向的扭矩；第二伺服驱动器12根据第二速度/位置传感器13获得的第二转子5位置信号及控制单元8的扭矩设定给第二电机的定子6加载电流矢量，使得第二转子5对外施加制动扭矩。此时第一、第二电机都工作在反向出力状态，第一、第二电机共同通过第二转子轴上的输出齿轮15共同对负载驱动轴施加制动扭矩，第一、第二电机从负载驱动轴得到的动能被转化为电能经第一、第二伺服驱动器7、12送入公共直流母线9，既而存入储能单元11或直接提供给用电单元10达到回收利用制动能量的目的。
④在电动车制动时，发动机以怠速运行，不参与驱动，第一电机第一、第二转子4、5之间电磁作用力为零，第二电机工作于发电机状态，对负载驱动轴实施电气制动，同时回收制动能量：
第一伺服驱动器7使第一转子4的电流矢量为零，第一电机第一转子4与第二转子5相互作用扭矩为零，实现与发动机隔离。第二伺服驱动器12根据第二速度/位置传感器13的信号和控制单元8的扭矩设定给第二电机的定子6加载电流矢量，控制第二电机工作在反向出力状态，第二转子5通过其轴上的输出齿轮15对负载驱动轴施加制动扭矩，第二转子5的轴从负载驱动轴得到的动能，经第二电机转化为电能经第二伺服驱动器12送入公共直流母线9，达到制动、回收能量又不改变发动机现状的目的。
⑤发动机输入动能，其输入动能能够满足驾驶驱动要求，第一电机工作于按最佳效率曲线的加载状态，第二电机工作于驱动状态，发动机动能一部分直接传递到负载侧、另一部分经第一电机伺服系统转换为电能后再经第二电机伺服系统驱动负载：
发动机输出机械功率至输入轴2，输入轴2转速为N1转/分钟(rpm)，控制单元8根据这一转速信号，按照最佳经济运行线，向第一伺服驱动器7送出匹配的扭矩设定；第一伺服驱动器7根据第一速度/位置传感器1和第二速度/位置传感器13的位置信号获得第一、第二转子4、5的相对位置信号，同时根据控制单元8的扭矩设定对第一电机的第一转子4的绕组加载电流矢量对第一电机进行扭矩伺服控制，对输入轴2，即发动机的轴施加T牛米(N.m)的负载扭矩，则第一电机第一转子4输入机械功率(即发动机输出的机械功率)为：
P1＝N1×T/9.55瓦(W)。(9.55为单位转换常数)
第一电机施加在其第一转子4的扭矩等于其第一转子4施加在发动机轴2上的扭矩，由于该扭矩T(N.m)是控制单元8根据发动机的转速按最佳效率曲线数据匹配的，并且其控制是由伺服系统完成的，它与汽车的运动状态不直接关联，与第二转子5的运动状态也无关，因此发动机的工作点始终准确地定位在最佳效率曲线上，达到节能目的。
设嵌套电机的输出轴14的转速为N2(rpm)：
当N1＞N2时，第二转子5与第一转子4之间的电磁扭矩T(N.m)与第二转子5转速之乘积为由第一电机经输出齿轮15送至负载侧的机械功率(称透过功率)：
P2＝N2×T/9.55(W)
第一电机及第一伺服驱动器7一方面将透过功率直接施加于负载驱动轴，另一方面将部分输入机械功率P3转换为电功率P4输送到公共直流母线9；P3＝P1-P2，电功率P4为P3再乘以第一电机和第一伺服驱动器7的发电转换效率η1，也就是：
P4＝η1(P1-P2)＝η1×(N1-N2)×T/9.55(W)。
第二转子5的转速为N2(rpm)，控制单元8根据P4的大小，向第二伺服驱动器设定驱动扭矩T2，满足：P4×η2＝N2×T2/9.55(W)，即T2＝η1η2T ×(N1-N2)/N2，其中η2为第二电机伺服系统将电能转化为机械能的效率，第二伺服驱动器12驱动第二电机对第二转子5的轴施加驱动扭矩。
第一、第二电机总输出扭矩为：
To＝T+T2＝(1+η1η2(N1-N2)/N2)T
嵌套电机的输出机械功率为：
Po＝(η1η2N1+(1-η1η2)N2)×T/9.55(W)
当N1＝N2时，发动机输出的机械功率全部直接送达输出轴，即嵌套电机的输出机械功率为：
Po＝N1×T/9.55(W)
当N1＜N2时，第一电机伺服系统不但将来自发动机的机械功率全部送达输出轴，还从直流母线提取电能，将之转化为机械能一同输出。此时第一电机的输出机械功率为：
P2＝N2×T/9.55(W)
此时，控制单元8对第二伺服驱动器12的扭矩设定分三种情况：正向设定、零设定及反向设定，控制第二电机正向驱动、不驱动及反向驱动。如果驾驶要求的驱动扭矩大于T，则第二电机正向输出驱动扭矩，以使总的输出扭矩等于驾驶需求的扭矩；如果驾驶要求的驱动扭矩等于T，则第二电机不驱动；如果驾驶要求的驱动扭矩小于T，则第二电机反向输出驱动扭矩，以使总的输出扭矩等于驾驶需求的扭矩。在上述三种情况下，第二电机伺服系统分别工作于电动机状态、不驱动状态及发电机状态。
⑥发动机运行输入动能，但输入的动能不能满足驾驶需要的驱动功率，第一电机工作于按最佳效率曲线的加载状态。
发动机输出机械功率至输入轴2，输入轴2转速为N1转/分钟(rpm)，控制单元8根据这一转速信号，按照最佳经济运行线，向第一伺服驱动器7送出匹配的扭矩设定；第一伺服驱动器7根据第一速度/位置传感器1和第二速度/位置传感器13的位置信号获得第一、第二转子4、5的相对位置信号，同时根据控制单元8的扭矩设定对第一转子4的绕组加载电流矢量对第一电机进行扭矩伺服控制，对输入轴2，即发动机的轴施加T牛米(N.m)的负载扭矩，则第一电机第一转子4输入机械功率(即发动机输出的机械功率)为：
P1＝N1×T/9.55瓦(W)。(9.55为单位转换常数)
第一电机施加在其第一转子4的扭矩等于其第一转子4施加在发动机轴2上的扭矩，由于该扭矩T(N.m)是控制单元8根据发动机的转速按最佳效率曲线数据匹配的，并且其控制是由伺服系统完成的，它与汽车的运动状态不直接关联，与第二转子的运动状态也无关，因此发动机的工作点始终准确地定位在最佳效率曲线上，达到节能目的。
设嵌套电机的输出轴7的转速为N2(rpm)：
当N1＞N2时，第一电机将来自发动机的部分机械功率直接传送到输出轴外，还将其余功率转化为电功率送至直流母线。
透过功率为：
P2＝N2×T/9.55(W)
发出的电功率为：
P4＝η1(P1-P2)＝η1(N1-N2)T/9.55(W)
发出的电功率经第二电机伺服系统转化为输出轴上的机械功率P5：
P5＝η2×P4＝η1η2(N1-N2)T/9.55(W)
第二伺服驱动器12和第二电机不仅使用了第一电机此时发出的全部电能，还从公共直流母线9的吸取电能，根据控制单元8的扭矩设定值和第二速度/位置传感器13的位置信号对第二电机的定子6加载更大电流矢量，驱动第二电机对第二转子5施加更大的驱动扭矩，通过第二转子5驱动输出轴。此时储能单元11根据其充放电策略从蓄电池取用能量输送到公共直流母线上补充第二电机的电功率需求。
当N1＝N2时，第一电机将来自发动机的全部机械功率直接传送到输出轴，主控单元8根据驾驶需要对第二伺服驱动器施加扭矩设定，第二电机伺服系统对外输出相应扭矩和功率，补充驱动功率需求不足的部分。
当N1＜N2时，第一电机伺服系统不但将来自发动机的机械功率全部送达输出轴，还从直流母线提取电能，将之转化为机械能一同输出。此时第一电机的输出机械功率为：
P2＝N2×T/9.55(W)
如驱动扭矩仍然不能达到驾驶需求，主控单元8根据驾驶需要对第二伺服驱动器施加扭矩设定，第二电机伺服系统对外输出相应扭矩和功率，补充驱动功率需求不足的部分。

Claims (13)

1.一种嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其中，该嵌套式电机组件的伺服控制系统包括第一转子、第二转子和定子，第二转子上嵌设有为定子提供磁场的磁极和为第一转子提供磁场的磁极，定子与第二转子构成第二电机，第一转子与第二转子构成第一电机，第二转子的轴为该第一电机组件的输出轴，第一转子的轴为该第一电机组件的动力输入轴；所述嵌套式电机组件的伺服控制系统还包括与该第一电机相关联的第一伺服驱动器，与该第二电机相关联的第二伺服驱动器，以及连接到该第一、第二伺服驱动器的控制单元，所述运行控制方法包括以下步骤：
将第一转子的轴与发动机轴直接连接；
由第一伺服驱动器根据第一、第二转子的相对位置以及控制单元给出的第一电机的扭矩设定对第一转子和第二转子之间的耦合扭矩进行伺服控制，以实现发动机工作点独立于整车运行状态的独立调节；以及
由第二伺服驱动器根据第二转子的位置以及控制单元给出的第二电机的扭矩设定对定子和第二转子之间的耦合扭矩进行伺服控制，以实现第二电机对整车的驱动。
2.根据权利要求1所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：第一转子的轴上安装有测量第一转子位置和转速的第一速度和位置传感器，第二转子的轴上安装有测量第二转子位置和转速的第二速度和位置传感器，该第一、第二转子的相对位置是通过所述第一、第二速度和位置传感器而获得的，其中该第一速度和位置传感器连接到第一伺服驱动器；该第二速度和位置传感器连接第一与第二伺服驱动器。
3.根据权利要求1所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：所述定子和第一转子均包含电枢绕组，所述第一伺服驱动器通过安装在第一转子轴上的滑环直接对第一转子上的电枢绕组加载相应的电流矢量，以对第一电机进行扭矩伺服控制；所述第二伺服驱动器直接对定子上的电枢绕组加载相应的电流矢量，以对第二电机进行扭矩伺服控制。
4.根据权利要求1所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：定子置于最内层，由内而外依次是定子、第二转子、第一转子，定子上预埋有冷却液流道。
5.根据权利要求4所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：在与该第一转子所在部位对应的外壳上设置有冷却油的喷淋口，以采用油浴的办法对该第一转子进行冷却。
6.根据权利要求2所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：对第一转子和第二转子之间的耦合扭矩进行伺服控制的步骤包括以下步骤：
第一伺服驱动器从第一速度和位置传感器获取第一转子的绝对位置信号θ1，从第二速度和位置传感器获取第二转子的绝对位置信号θ2，求取第一转子相对于第二转子的位置角度θ1-θ2；
按电流矢量与反电势矢量同相位的原则获取第一转子绕组的电流矢量方向；
读取来自控制单元的扭矩设定值，计算电流矢量的大小；
求取三相电流的瞬时给定值ia1、ib1、ic1；
分别进行三相电流闭环控制；以及
驱动功率放大电路。
7.根据权利要求1所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：对定子和第二转子之间的耦合扭矩进行伺服控制的步骤包括以下步骤：
第二伺服驱动器从第二速度和位置传感器获取第二转子的绝对位置信号θ2；
按电流矢量与反电势矢量同相位的原则获取定子绕组的电流矢量方向；
读取来自控制单元的扭矩设定值，计算电流矢量的大小；
求取三相电流的瞬时给定值ia2、ib2、ic2；
分别进行三相电流闭环控制；以及
驱动功率放大电路。
8.根据权利要求1所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：如果第二转子转动速度低于第一转子的转速，则第一电机处于发电机状态运行，它所发出的电能通过第一伺服驱动器输送到公共直流母线上的储能单元或用电单元；如果第二转子转动速度高于第一转子的转速，则第一电机处于电动机状态运行，它从公共直流母线取用的电能通过第一伺服驱动器和第一电机转换为第二转子的动能，与发动机透过来的能量一起送至输出轴。
9.根据权利要求1所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：如果第二伺服驱动器获得的扭矩设定方向与第二转子旋转方向相同，则第二伺服驱动器通过公共直流母线吸收电能，驱动第二电机工作于电动机状态，第二转子转动的动能也通过输出齿轮对外部负载做功；如果第二伺服驱动器获得的扭矩设定方向与第二转子旋转方向相反，则第二伺服驱动器控制第二电机处于发电机状态运行，将轴上的机械能量转变为电能送入公共直流母线，第二电机对负载进行电气制动回馈电能。
10.根据权利要求1所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：所述第一、第二电机为永磁同步伺服电机或无刷直流电机。
11.根据权利要求1所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：该控制单元根据发动机转速按照经济运行曲线的要求向第一伺服驱动器输出扭矩设定值，通过第一伺服驱动器对第一电机进行扭矩伺服控制，从而向发动机施加扭矩负载，使得发动机工作点始终在经济运行区域曲线上。
12.根据权利要求1所述的嵌套式电机组件的伺服控制系统的运行控制方法，其特征在于：该控制单元能将第一电机或第二电机发出的电能全部用于第二电机或第一电机的驱动输出，最大限度地减小储能单元对蓄电池的充放电过程。
13.一种驱动混合动力车的方法，其特征在于：该方法包括在所述混合动力车上执行如权利要求1-11中任一项所述的伺服控制系统的运行控制方法的步骤。
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