CN101964625A - 一种电动车辆驱动/牵引集成控制结构与运动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电动车辆驱动/牵引集成控制结构与运动控制方法，其设定了电机转矩给定模块、磁链给定模块、滑移率给定模块分别对三个控制量转矩、定子磁链和滑移率进行给定，给定的参考值与实际电机转矩、定子磁链和滑移率反馈值分别进入滞环比较器进行比较，比较结果进入电压矢量选择模块，再输出相应电压矢量到逆变器，进而控制电机，实现对车辆的驱动控制。与本发明中滑移率的调节具有更快速的响应，因此能明显提高电动汽车的运动稳定性，有效抑制车辆在加速、低附着系数路面的车轮打滑的现象。

Description

一种电动车辆驱动/牵引集成控制结构与运动控制方法

技术领域

本发明涉及电动车辆(包括电动汽车和轨道电力牵引车辆)的相关技术领域，特别是车用永磁同步电机驱动的新驱动力和牵引力的集成控制结构和方法。

背景技术

汽车的牵引力控制系统(TCS)是动力学控制的重要内容，特别是在低粘着系数路面(如冰面)或加速阶段，通过对车辆滑移率的控制，可以保证汽车行驶稳定性和安全性。

有TCS/ABS系统的传统内燃机驱动的车辆，其运动控制通常是在转矩控制的基础上，由TCS/ABS系统检测车轮是否发生滑移，如果发生滑移或有滑移的趋势则限制发动机输出转矩，进而实现车轮不打滑的目标。

电动汽车的滑移率控制，目前均沿用传统汽车的牵引控制方法，牵引控制系统根据车辆运动过程中检测或计算的滑移率，根据设定的滑移率对电机转矩进行闭环控制，因此目前电动汽车的牵引控制系统通过滑移率和转矩两个闭环来控制，滑移率控制的响应时间取决与车辆的惯性。

电机驱动的电动车辆，具有输出转矩可控、响应时间短(小于10ms)、成本低等特性。有关文献对直流电机和交流电机驱动的电动车辆的运动控制进行了研究，一般通过滑移率调节器得出的转矩限制值与转矩给定值进行取小操作，并作为最终的转矩给定，转矩取小值通过外环实现，能满足一般运动控制的要求，对于复杂路况和安全要求较高的场合，这种控制结构动态响应较慢，难以满足要求。

永磁同步电机(PMSM)具有体积小、效率高、可靠性好以及对环境的适应性强等诸多优点，其直接转矩控制更是具有响应快速、结构简单的优点，因此PMSM是无污染、能源多样化配置的电动汽车驱动系统和辅助动力的理想选择。然而更高的车辆运动稳定性和安全性要求需要更高性能的永磁同步电机控制结构。

车辆滑移率的计算方法目前主要有两类，一类是滑移率的定义式(a)，通过车轮线速度和车速来求取，或者用从动轮速度代替车速、用主动轮速度代替车轮线速度来求取当前滑移率。

$\mathrm{\λ}=\frac{V_{\mathrm{\ω}}-V}{V_{\mathrm{\ω}}}$ 或 $\mathrm{\λ}=\frac{V_w-V_d}{V_w}---\left(a\right)$

另一类是通过电机电流、电压等参数来实时求取当前滑移率。相关日本文献已经研究得出电机滑移率状态方程如(b)所示。

$\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=-\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\ω}}\mathrm{\λ}+(1+\frac{J}{r^{2}M})\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\ω}}-\frac{\mathrm{Te}}{r^2\mathrm{M\ω}}---\left(b\right)$

上式右边各项虽然含有非线性，但除了λ外其余各项均可通过传感器信号直接或间接获取。相关文献还对上式的收敛性进行了分析。当

滑移率的估计误差收敛于零。因此滑移率计算模块可以通过上述两类方法对当前滑移率进行计算。

车辆滑移率的设定，可以分为两种情形，一是在车辆由普通路面突然进入恶劣的路面(如冰面)，车辆的滑移率会突然增大，车辆因打滑运行而处于危险状态，此时要求电动汽车通过牵引控制降低电机转矩，迅速调整滑移率以保证车辆的安全。二是在汽车确定路面行驶过程中，根据路面参数(通常为摩擦系数与滑移率之间关系)对滑移率进行优化，实现节能运行。传统牵引力控制系统为了安全的考虑，目标滑移率的选取是考虑在极端恶劣的路面条件下的安全范围值，该值通常取为0.1-0.3。

在设定的滑移率目标的基础上，如果将滑移率的控制与电机转矩的控制都按同一个操作(如交流电机电压矢量)进行控制，那么，车辆滑移率控制的动态响应将大大加快。

传统内燃机驱动的车辆控制结构如图1所示。滑移率计算模块1通常由防抱死系统(ABS)完成，进而通过限制驱动转矩来实现车轮不打滑的目标。

现有文献介绍的电机牵引力控制系统通常采用的结构框图如图2所示(以直流电机为例)，驾驶员踏板命令被转化为电机的转矩指令Tcom1；另一方面，根据滑移率检测计算模块1得到的车辆与地面之间的实际滑移率，与目标滑移率(通常在0.1-0.3之间的某一常数，典型地，该值以最保守的路面情况(比如冰面)作为参考量)进行比较，通过滑移率调节器2得到控制滑移率的电机的另一个的转矩指令Tcom2，取小值比较器3将Tcom1和Tcom2比较取最小的值作为电机转矩(或电流)闭环控制的指令值Tcom(或Icom)，与反馈转矩(或电流)进行比较后通过转矩调节器4得到控制电压指令Ucom，再通过PWM发生器5产生对应PWM信号控制直接斩波器6a调压，进而驱动并控制直流电机7，最终控制驱动轮8。这种方法以最保守的滑移率作为所有路面的滑移率的控制目标，汽车动力性能将会受到影响。所以，有时可将考虑轮胎损耗最小的最优化滑移率作为目标滑移率；有时把地面允许的最大滑移率作为目标滑移率。

对于永磁交流电机驱动的电动汽车，现有文献介绍的牵引力控制系统通常采用的结构框图如图3所示。该系统采用磁链转矩观测模块9将电机的磁链反馈值和转矩反馈值计算并输出，将驾驶员踏板指令对应的电机转矩指令Tcom1与滑移率闭环控制的输出量(转矩指令Tcom2)通过取小值比较器3比较取小得到电机转矩闭环控制的指令值，按照交流永磁同步电机11的转矩闭环控制方法(如矢量控制、直接转矩控制)控制电机的转矩。

发明内容

本发明提供一种电动车辆驱动控制方法，其将永磁同步电机驱动的车辆的滑移率控制和永磁同步电机转矩控制结合在一起，并通过永磁同步电机的定子磁场(电压矢量)进行直接控制。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

在新的运动控制方法中，电机的定子磁链、转矩和车辆滑移率三个量的调节实行并行控制，并且采用新的控制方法对电机定子电压矢量进行选择。通过直接电压矢量控制实现对整车的滑移率和驱动转矩的直接控制。

由车辆的滑移率定义与电机原理可知，在地面参数发生变化的很短时间内，滑移率变化比车辆速度快得多，与电机的机电时间常数对应，并且与永磁同步电机的电压矢量方向有关。

一种电动车辆驱动/牵引集成控制结构，其包括：

转矩给定模块，将驾驶员踏板转化处理为电机的等效转矩给定值；

电机定子磁链给定模块，输出由电机本身特性所决定的磁链给定值；

滑移率给定模块，输出的目标滑移率给定值；

磁链转矩计算模块，计算获得电机输出转矩、定子磁链反馈值；

滑移率计算模块，获取当前汽车滑移率的反馈值；

转矩滞环比较器，比较转矩给定值和反馈值；

磁链滞环比较器，比较磁链给定值和反馈值；

滑移率滞环比较器，比较滑移率给定值和反馈值；

电压空间矢量选择模块，根据转矩滞环比较器、磁链滞环比较器和滑移率滞环比较器输出值得出定子电压空间矢量；

逆变器，根据电压空间矢量实时控制电机的旋转磁场，同时调节电机定子磁链幅值、转矩和滑移率。

所述磁链滞环比较器通过输入的磁链给定值ψ*与反馈值ψ_f求差，该差值与误差值ε_ψ比较得到状态变量ψ_f。

所述转矩滞环比较器通过输入的转矩给定值T*与反馈值T_f求差，该差值与误差值ε_T比较得到状态变量F_T。

所述滑移率滞环比较器通过输入的对应给定值λ^*与反馈值λ_f求差，该差值与误差值ε_λ比较得到状态变量λ_f。

一种电动车辆驱动/牵引集成运动控制方法，采用转矩、磁链、滑移率三个控制量并行控制，计算转矩、磁链、滑移率给定值与反馈值差值，该差值与设定的误差值比较得到相应的状态变量，根据该状态变量选择电机定子电压矢量，通过电压矢量控制实现对电动汽车的滑移率和驱动转矩的并行控制。

所述转矩给定值T*由驾驶员踏板转化处理为电机的等效转矩给定值；

所述磁链给定值ψ*由电机本身特性决定并给出；

所述滑移率给定值λ^*通过测量参数计算或者通过优化设计的指定值给出。

所述转矩反馈值T_f、磁链反馈值ψ_f通过磁链转矩计算模块根据电机电流、电压、转速值的检测与计算得到；

所述滑移率反馈值λ_f通过滑移率计算模块得到当前汽车滑移率的反馈值。

所述设定的误差值为在给定值的百分之一以内。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：与传统牵引力控制中以转矩作为控制量调节滑移率最终达到改善汽车的打滑现象的方法相比，本专利中滑移率的调节与电机转矩的调节具有同样的响应时间，具有更快速的响应，因此能明显提高电动汽车的运动稳定性，有效抑制车辆在加速、低附着系数路面的车轮打滑的现象。

本发明中，永磁同步电机的电压矢量控制(包括施加时间、矢量方向)不但决定电机定子磁链的幅值(它是电机控制的基本要求)，而且直接可以控制电机转矩和车辆滑移率。

本发明的结构和运动控制方法不但适用于永磁同步电机驱动的车辆，也适用于异步电机驱动的电动车辆；不但适用于电动汽车，也适用于轨道电力牵引车辆的控制。

附图说明

图1为传统内燃机牵引控制结构框图。

图2为直流电机牵引控制结构框图。

图3为交流电机滑移率控制一般结构框图。

图4为地面参数曲线。

图5为PMSM电机新型运动控制结构。

图6为电压空间矢量选择模块。

图7为电机控制系统的逆变器图。

图8为逆变器产生的空间矢量图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

传统滑移率控制和新型运动控制结构方法的滑移率跟踪特性如图4所示。车辆的牵引力是由路面的黏着力提供，用黏着系数表示

$\mathrm{\μ}=\frac{F_d}{N}$

N为车辆的载荷，Fd为车辆牵引力，而黏着系数μ是由车轮的滑移率λ决定，其曲线如图4所示，对应的不同路况下，黏着系数μ和滑移率λ的关系。从图中可以看出，随着滑移率从0增加，黏着系数逐渐上升，与此同时，侧滑力逐渐下降，随着黏着系数达到最大值，如果滑移率进一步增加，侧滑力与黏着力快速下降，此时汽车处于不受控制状态，使得安全性大大降低。因此，需要把滑移率控制在能使车轮不打滑且车轮能正常稳定工作的范围内，一般路面的范围是0.1～0.3(图示阴影部分)，使得汽车具有良好的可靠性和安全特性的同时并具有良好的加速性能。

因此，通过减小电机的牵引转矩F_T，使得车轮转速降低，减小轮胎与路面的滑移率，使车辆运行在稳定区域(图4中阴影区域)。

对于永磁同步电机驱动的电动汽车，本发明提出的新型电机如图5所示。永磁同步电机直接转矩控制方法具有响应快速的转矩控制特点，该方法把转矩的控制与定子磁链的控制综合为定子旋转磁场(磁链矢量)的速度和方向的控制，并通过施加电压矢量来具体实现。直接转矩控制方法一般只有转矩和磁链两个控制参数。本发明新型运动控制方法采用转矩、磁链、滑移率三个控制量并行控制，分别设定电机定子磁链、转矩和滑移率作为控制系统参考值。转矩给定模块12将驾驶员踏板转化处理为电机的等效转矩给定指令T*；电机定子磁链给定模块15输出的磁链给定值ψ*由电机本身特性所决定，查电机相关参数即可；滑移率给定模块14输出的目标滑移率给定值为λ^*可以是通过测量参数计算式(a)、(b)或其它计算式来给定，也可以是通过优化设计的指定值。对于一般路面的典型应用，本实施例选取0.15作为滑移率控制给定值。

通过电机电流、电压、转速值的检测与计算，磁链转矩计算模块9可获得电机输出转矩、定子磁链反馈值，通过滑移率计算模块1可以得到当前汽车滑移率的反馈值，分别用T_f、ψ_f、λ_f表示。

本发明还设置了三个并行的滞环比较器，分别是转矩滞环比较器16a、磁链滞环比较器16b、滑移率滞环比较器16c。将上述给定值与反馈量分别输入相应滞环比较器进行比较，比较误差值的设定通常为给定值的百分之一以内，以保证快速和准确性，但也不是越小越好。取值原则是既要保证车辆快速准确控制性能，也要不使功率器件因开关频率过高(一般小于10KHz)而发热过多，导致效率不高甚至烧毁功率器件。因此误差值的最终标定需要根据实际测试情况来综合取舍。本具体实施例中，比较误差值ε_T、ε_ψ、ε_λ具体可分别设置为1(N.m)、0.001(Wb)、0.002，但不限于此数值。给定值与反馈量输入滞环比较器得到两者的差值，根据表2、表3、表4所定义的转矩、磁链、滑移率控制规则，该差值与设定的误差值比较可以得到状态变量F_T、F_ψ、F_λ。

再根据表5的PMSM直接转矩/滑移率综合取值规则和表6的PMSM直接转矩/滑移率控制空间电压矢量选择方法，可以选定电压空间矢量实时控制电机的旋转磁场(磁链矢量)，同时调节电机定子磁链幅值、转矩和滑移率。

图6为电压空间矢量选择模块10。该模块10的输入量为磁链比较值、转矩比较值和滑移率比较值，输出量为最终选择的定子电压空间矢量。模块10内定子电压空间矢量的选择采用如表6所示的综合控制规则。

图7为电机控制系统的逆变器6的结构示意图，电机驱动的逆变器的三相6个功率管的开关组合成8个电压矢量，分析永磁同步电机直接转矩控制方法可知，通过控制这电压矢量(选择矢量和矢量施加时间)，可以控制电机磁场幅值和瞬时转矩。

图8为逆变器产生的空间矢量图。电机每相与一个两个开关管组成的桥臂对应，一个桥臂的两个开关管互补工作，及每相的桥臂开关状态有两个，以1和0表示，三相的桥臂按A、B、C次序排列，共形成8种状态，即，000、100、110、010、011、001、101、111，分别定义为V0、V1、V3、V4、V5、V6、V7。8个矢量可用相平面表示为如图8的电压矢量图。

为描述定子磁链在相平面的角度，设磁链旋转方向为逆时针，将整个平面(360度)分成6个等分区间如表1所示。对于定子磁链的旋转方向和幅值，通过施加电压矢量(和施加矢量的时间)来控制。对于当前处于第k区间(区间内对应一个唯一的电压矢量Vk)的磁链，可以选择该区间逆时针方向相邻的两个电压矢量Vk+1、Vk+2来控制磁链幅值的增量和旋转速度。

磁链控制规则如表2所示。将磁链幅值的实际值与给定值比较，ε_ψ为磁链误差比较值，根据两者的偏差情况，确定偏差标志F_ψ，以及电压矢量选择的原则。

转矩控制规则如表3所示。将转矩的实际值与给定值比较，ε_T为转矩误差比较值，根据两者的偏差情况，确定偏差标志F_T，以及电压矢量选择的原则。

滑移率控制规则如表4所示。将滑移率的实际值与给定值比较，ε_λ为滑移率误差比较值，根据两者的偏差情况，确定偏差标志F_λ，以及电压矢量选择的原则。

转矩/滑移率综合规则，如表5所示。将转矩和滑移率的偏差标志F_T、F_λ进行综合，确定综合偏差标志F_Tλ，以及电压矢量选择的原则。

综合表2、表3、表4、表5，先由表3和表4得到表5，再由表5和表2可以得到直接转矩-滑移率控制空间电压矢量选择方法如表6所示，实际操作是先输入T和λ，查表五，输出F_T，λ，再根据F_T，λ和ψ查表6，选定电压矢量。

表1PMSM定子磁链角度对应区间

表2磁链控制规则

磁链偏差情况	Fψ取值	输出电压矢量的性质
			ψ-ψ*≥εψ	1	使磁链幅值减小
ψ-ψ*≤-εψ	0	使磁链幅值增大
			|ψ-ψ*|≤εψ	保持不变	维持原状态不变

表3转矩控制规则

转矩偏差情况	FT取值	输出电压矢量的性质
			T-T*≥εT	1	输出零矢量
T-T*≤-εT	0	使磁链矢量获得最大切向速度
			|T-T*|≤εT	保持不变	维持原状态不变

表4滑移率控制规则

滑移率偏差情况	Fλ取值	输出电压矢量的性质
			λ-λ*≥ελ	1	输出零矢量
λ-λ*≤-ελ	0	使磁链矢量获得最大切向速度
			|λ-λ*|≤ελ	保持不变	维持原状态不变

表5PMSM直接转矩/滑移率综合规则

FT	Fλ	取值FT，λ	输出电压矢量的性质
				1	1	1	输出零矢量

1	0	1	输出零矢量
				0	1	1	输出零矢量
0	0	0	使磁链矢量获得最大切向速度

表6PMSM直接转矩/滑移率控制空间电压矢量选择方法

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动车辆驱动/牵引集成控制结构，其特征在于：其包括：

转矩给定模块，将驾驶员踏板转化处理为电机的等效转矩给定值；

电机定子磁链给定模块，输出由电机本身特性所决定的磁链给定值；

滑移率给定模块，输出的目标滑移率给定值；

磁链转矩计算模块，计算获得电机输出转矩、定子磁链反馈值；

滑移率计算模块，获取当前汽车滑移率的反馈值；

转矩滞环比较器，比较转矩给定值和反馈值；

磁链滞环比较器，比较磁链给定值和反馈值；

滑移率滞环比较器，比较滑移率给定值和反馈值；

电压空间矢量选择模块，根据转矩滞环比较器、磁链滞环比较器和滑移率滞环比较器输出值得出定子电压空间矢量；

逆变器，根据电压空间矢量实时控制电机的旋转磁场，同时调节电机定子磁链幅值、转矩和滑移率。

2.如权利要求1所述的控制结构，其特征在于：所述磁链滞环比较器通过输入的磁链给定值ψ*与反馈值ψ_f求差，该差值与误差值ε_ψ比较得到状态变量ψ_f。

3.如权利要求1所述的控制结构，其特征在于：所述转矩滞环比较器通过输入的转矩给定值T*与反馈值T_f求差，该差值与误差值ε_T比较得到状态变量F_T。

4.如权利要求1所述的控制结构，其特征在于：所述滑移率滞环比较器通过输入的对应给定值λ^*与反馈值λ_f求差，该差值与误差值ε_λ比较得到状态变量λ_f。

5.一种电动车辆驱动/牵引集成运动控制方法，其特征在于：采用转矩、磁链、滑移率三个控制量并行控制，计算转矩、磁链、滑移率给定值与反馈值差值，该差值与设定的误差值比较得到相应的状态变量，根据该状态变量选择电机定子电压矢量，通过电压矢量控制实现对电动汽车的滑移率和驱动转矩的并行控制。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述转矩给定值T*由驾驶员踏板转化处理为电机的等效转矩给定值；所述磁链给定值ψ*由电机本身特性决定并给出；所述滑移率给定值λ^*通过测量参数计算或者通过优化设计的指定值给出。

7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述转矩反馈值T_f、磁链反馈值ψ_f通过磁链转矩计算模块根据电机电流、电压、转速值的检测与计算得到；所述滑移率反馈值λ_f通过滑移率计算模块得到当前汽车滑移率的反馈值。

8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述设定的误差值为在给定值的百分之一以内。

Images