CN103023416B

CN103023416B - 用于电动马达操作的电流估计的系统和方法

Info

Publication number: CN103023416B
Application number: CN201210353898.1A
Authority: CN
Inventors: J.张
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CN103023416A; DE102012215008B4; US20130076277A1; DE102012215008A1; US8786244B2

Abstract

本发明涉及用于电动马达操作的电流估计的系统和方法。提供了用于电动马达中的电流估计的方法和系统。该系统包括电动马达，其具有用于感测至少马达电流，马达温度和马达速度的传感器。车辆控制器连接到传感器并且包括用于电动马达的闭环电流控制系统，其具有用于提供用来调节用于电动马达的电流命令的电流补偿信号的电流补偿电路。电流补偿电路包括用于基于马达温度和马达速度提供短路电流值的短路电流计算器，用于基于马达速度提供增益补偿值的补偿增益计算器，以及结合马达电流，短路电流值和增益补偿值以提供电流补偿信号的电路。还提供了用于电动马达中电流估计的方法。

Description

用于电动马达操作的电流估计的系统和方法

技术领域

该技术领域通常涉及一种用于电动和混合动力车辆的驱动系统的系统和方法，并且尤其涉及一种用于控制电动车辆中电动马达的电流估计的系统和方法。

背景技术

电动和混合动力电动车辆使用交流电（AC）马达驱动以提供转矩至驱动车辆的车轮的马达轴。实际上，由马达产生的转矩的量直接地与提供至马达的电流的量相关。因此，通过调节和精确控制至电动马达的输入电流，由电动马达产生的转矩的量可以更精确地控制。然而，在许多系统中，输入马达电流不直接地控制。例如，许多电动马达使用结合逆变器（或其它开关模式功率供给）的脉冲宽度调制（PWM）技术进行操作以控制穿过马达绕组的电压，随后，在马达中产生所需的电流。

响应于请求的转矩（或命令的转矩），传统的发动机控制系统确定用于产生请求量的转矩的所需的输入马达电流并且使用闭环控制系统以控制通过马达绕组的电流并且由此企图调节马达产生的转矩的量。一个或多个传感器用来测量实际马达电流，其然后与所需输入马达电流进行比较。基于比较的结果，用于逆变器的PWM命令被调节为增加和/或减少穿过马达绕组的电压，从而实际测量的马达电流尽可能接近地追踪所需输入马达电流。

然而，当电流传感器没有精确地反映马达电流，这些闭环控制系统不再能有效地控制马达。例如，没有精确的马达电流信息，控制系统可以使得马达产生不足够的转矩，过大的转矩，或变化或振动量的转矩。因此，当电流传感器测量误差发生或当控制系统不能充分地赔偿这样的错误时，不利地影响了车辆的使用和乐趣。

因此，需要提供一种用于电动或混合动力电动车辆中电流估计的简单，可靠并且成本效率的解决方法。此外，结合附图和上述技术领域和背景技术从随后的具体实施方式中本发明的其它所需特性和特征将会变得显而易见。

发明内容

根据示例性实施例，提供了用于电动马达的电流估计的方法。该方法包括基于马达中的测量的电流，马达速度和马达温度提供用于车辆的马达的闭环电流控制系统的电流补偿信号，并且然后使用电流补偿信号调节电流命令信号以控制提供至车辆的马达的电流。

根据另一示例性实施例，提供了用于电动马达的电流估计的系统。该系统包括电动马达，其具有用于感测至少马达电流，马达温度和马达速度的传感器。车辆控制器连接到传感器并且包括用于电动马达的闭环电流控制系统，其具有用于提供用来调节用于电动马达的电流命令的电流补偿信号的电流补偿电路。电流补偿电路包括用于基于马达温度和马达速度提供短路电流值的短路电流计算器，用于基于马达速度提供增益补偿值的补偿增益计算器，以及结合马达电流，短路电流值和增益补偿值以提供电流补偿信号的电路。

本发明还提供了以下方案：

1.一种方法，包括：

基于马达中的测量的电流，马达速度和马达温度提供用于车辆的马达的闭环电流控制系统的电流补偿信号；以及

使用电流补偿信号调节电流命令信号以控制提供至车辆的马达的电流。

2.如方案1所述的方法，其中确定电流补偿信号还包括使用马达速度和马达温度确定短路电流值。

3.如方案2所述的方法，其中确定短路电流值还包括从二维查找表格提供短路i_q值。

4.如方案3所述的方法，其中确定短路电流值还包括从第二二维查找表格提供短路i_d值。

5.如方案2所述的方法，其中提供电流补偿信号还包括使用马达温度确定补偿增益值。

6.如方案5所述的方法，其中提供电流补偿信号还包括从短路电流值和补偿增益值确定电流补偿信号。

7.一种方法，包括：

在工作期间感测电动马达以提供测量的马达电流，马达温度和马达速度；

基于测量的马达电流，马达温度和马达速度提供电流补偿信号；

调节电流命令信号以提供调节的电流命令信号；

在闭环电流控制系统中处理调节的电流命令信号以控制电动马达的工作。

8.如方案7所述的方法，其中提供电流补偿信号还包括使用马达速度和马达温度确定短路电流值。

9.如方案8所述的方法，其中确定短路电流值还包括从二维查找表格提供短路i_q值。

10.如方案9所述的方法，其中确定短路电流值还包括从第二二维查找表格提供短路i_d值。

11.如方案8所述的方法，确定短路电流值还包括从以下等式计算短路id值：。

12.如方案8所述的方法，其中确定短路电流值还包括从以下等式计算短路i_q值：。

13.如方案8所述的方法，其中提供电流补偿信号还包括使用马达温度确定补偿增益值。

14.如方案13所述的方法，其中提供电流补偿信号还包括从短路电流值和补偿增益值确定电流补偿信号。

15.一种车辆，包括：

电动马达；

连接到电动马达上用于感测至少马达电流，马达温度和马达速度的传感器；

连接到传感器并且包括用于电动马达的闭环电流控制系统的车辆控制器；

用于提供电流补偿信号以调节用于电动马达的电流命令的闭环电流控制系统内的电流补偿电路，电流补偿电路包括：

基于马达温度和马达速度提供短路电流值的短路电流计算器；

基于马达速度提供增益补偿值的补偿增益计算器；以及

用于结合马达电流，短路电流值和增益补偿值以提供电流补偿信号的电路。

16.如方案15所述的车辆，其中短路电流计算器包括二维查找表格以提供短路电流值的i_q分量。

17.如方案16所述的车辆，其中提供短路电流值的i_q分量的二维查找表格包括由以下等式计算的i_q值：。

18.如方案15所述的车辆，其中短路电流计算器包括二维查找表格以提供短路电流值的i_d分量。

19.如方案18所述的车辆，其中提供短路电流值的i_d分量的二维查找表格包括由以下等式计算的i_d值：。

20.如方案15所述的车辆，其中闭环电流控制系统控制连接到电池和电动马达的逆变器。

附图说明

本发明的主题在下文中将结合以下的附图进行描述，其中相同的数字表示相同的元件，并且：

图1是适于使用本发明的示例性实施例的车辆的视图；

图2是图1的车辆的一些部件的更细节的视图；

图3是根据示例性实施例示出了图2的电流补偿器的工作的方框图；

图4是根据示例性实施例示出了图3的短路电流的工作的方框图；

图5是根据示例性实施例示出了图3的补偿增益计算器的工作的方框图；

图6A和6B是比较具有和不具有本发明的示例性实施例的电流补偿器的电流误差的图表；以及

图7A和7B是比较具有和不具有本发明的示例性实施例的转矩补偿器的转矩误差的图表。

具体实施方式

以下的详细说明实际上仅仅是示例性的并且并不旨在限制本发明或其使用。此外，并不旨在通过在技术领域，背景技术，发明内容或以下具体实施方式之前中存在的任何明示或暗示的理论进行限定。

在该文件中，相关的术语，例如第一和第二等在这样的实体或动作之间不需要要求或暗示任意实际的这样的关系或顺序的情况下可以单独地用来辨别一个实体或动作与另一实体或动作。数字顺序，例如“第一”，“第二”，“第三”等简单地表示多个中的不同的个体并且并不暗示任何顺序和次序，除非由权利要求的语言具体限定。

此外，以下的描述涉及“连接”或“连结”在一起的元件或特征。如在此使用的，“连接”可以涉及一个元件/特征直接地连到（或直接地连通）另一元件/特征，并且不需要机械地相连。同样，“连结”可以涉及一个元件/特征直接地或间接地连到（或直接地或间接地连通）另一元件/特征，并且不需要机械地相连。然而，应当理解，尽管在两个元件可以如下所述地一个实施例中“连接”，在可替换的实施例中类似的元件可以“连结”，并且反之亦然。因此，尽管在此示出的示意图描述了示例性元件的布置，在实际的实施例中可以存在附加的插入元件，装置，特征或部件。

最后，为了简单起见，与车辆电力部件或系统的其它功能方面相关的传统的技术和部件（以及系统的个别的工作部件）可能不在此详细地描述。此外，在包含在此的各个附图中示出的连接线是用来表示各个元件之间的示例性的功能关系和/或实际连结。应当注意在本发明的实施例中可以存在许多可替换的或附加的功能关系或实际连接。还应当理解图1-7仅仅是示例性的并且可以不按比例绘制。

图1是根据本发明的车辆100的实施例的简化示意图。尽管车辆100被示出为纯电动车辆，在此描述的技术和概念还可应用到混合动力电动车辆上。车辆100的示例性实施例包括，但不限制于：连接到车载发电机104上的车辆控制模块102；车载能量存储系统106；以及驱动车轮110的电力推进系统108。

车辆控制模块102可以包括任意类型的处理元件或车辆控制器，并且可以配备非易失存储器，随机存取存储器（RAM），离散和模拟输入/输出（I/O），中央处理单元，和/或用于与车辆通信网络联网的通信接口。在电动车辆实施例中，车载发电机104可以包括如果需要足以对能量存储系统106充电的小的气体（或其它的液体燃料）动力发电机。在混合动力电动车辆实施例中，发电机104可以由用于推进车辆的车辆气体（或其它燃料）发动机或其一部分提供动力。车载能量存储系统106可以实现为具有单个电池模块或任意数目的单独电池模块的可再充电电池组。车载能量存储系统106提供电能，其启动电力推进系统108以提供动力至车轮110。

尽管为了便于描述图1以非常简化的方式描述了各种电力或机械的连接和连结，车辆100的实际的实施例当然使用了在汽车工业中公知的附加的实际部件和装置。例如，许多传统的附件将包含在市场上可买到的车辆中，例如窗户或镜子扫雾器，防抱死制动器系统，牵引或稳定性系统，照明系统，警报系统（例如，喇叭），转弯指示器（信号），空调，加热的座椅，视频/音频系统，和用于使用者装置的电源插座口（共同的，附件）。同时，车辆100可以是许多不同类型的汽车中的任意一种，例如，桥车，货车，卡车，或运动型多用途车辆（SUV），并且可以是两轮驱动（2WD）（即，后轮驱动或前轮驱动），四轮驱动（4WD），或全轮驱动（AWD）。车辆100还可以结合许多不同类型的发动机，例如汽油或柴油燃烧发动机，弹性燃料车辆（FFV）发动机（即，使用汽油和酒精的混合物的发动机）或气体化合物（例如，氢和/或天然气）燃料发动机中的任意一种或其组合。

图2是根据示例性实施例的车辆100的选择的部件的更细节的方框图。在一个示例性实施例中，电力推进系统108包括具有定子116和转子114的电动（AC）马达112，逆变器组件120，冷却系统122和一个或多个传感器124。

车辆控制模块102更详细地示出为包括闭环电流控制系统，其包括系统控制器126，电流调节器128，坐标变换块130和脉冲宽度调制器（PWM）12。系统控制器126构成为获得转矩命令（T）134并且产生用于电流控制器的电流命令（i^* _dq）136，如在下文中更详细地描述的其被调节以提供调节的信号162至电流控制器128。电流控制器128使用调节的信号162和测量的马达速度146以产生电压指令信号（v^* _dq）138，其与测量的转子位置151一起由坐标变换块130处理以产生经由PWM信号142用于操作逆变器120的脉冲宽度调制器指令信号（v^* _abc）140。以这样的方式，由电动马达112产生的转矩追踪转矩命令（T）。脉冲宽度调制器（PWM）132接收来自电压传感器121的附加输入133，如在现有技术中公知的，为了产生PWM信号142该电压传感器121测量穿过逆变器120中的dc-总线的电压。

在图2所示的示例性实施例中，车辆控制模块102接收来自几个传感器124的输入144。这些输入是测量的转子位置151，测量的马达速度146，测量的马达温度148和测量的马达电流150。在一些实施例中，取决于在任意具体设计中采用的马达控制系统，测量的马达速度146可以由使用传统的速度估计方案的估计的马达速度替代。测量的马达电流（i_abc）经由另一坐标变换块152与测量的转子位置151一起处理以提供d-q参考信号（i_dq）154至形成闭环电流控制系统一部分的电流补偿器156。

根据本发明的示例性实施例，电流补偿器156提供从电流命令（i^* _dq）136减去（160）的电流补偿信号（i_dqcomp）158（即，马达的平均电流的估计）以提供补偿马达112的测量的电流150与平均电流之间的误差的调节的电流命令信号162。当逆变器120的工作频率相对于用来产生测量的电流信号150的测量的（样本）频率增加时，这样的误差公知为增加。这些误差降低了电流控制器128的精确度和稳定性，其随后影响马达112的总体转矩控制。

马达112可以是多相交流电（AC）马达，其通常包括具有成组的绕组或线圈以对应于工作相位的转子114和定子116。逆变器组件120驱动马达112的工作并且通常包括一个或多个逆变器，每个都包括具有反并联的二极管的开关。在各个实施例中，开关实施为绝缘栅双极晶体管（IGBT），金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），和/或类似的东西。定子116的绕组电力地连接在逆变器组件120的开关之间以接收电流并且在马达112中产生转矩。在一个示例性实施例中，逆变器组件120基于电源106的输出电压（VDC）提供交流相位电流从而以变速驱动马达112的三个相位并且控制来自控制器102的信号142。

在工作期间，具有诸如马达油的冷却剂的冷却系统122围绕并且冷却马达112。传感器124可以包括任意适当类型的传感器，用于收集由控制器102使用的推进系统108内的信息。例如，传感器124可以确定或以其他方式导出作为车辆控制模块102的输入144的马达温度，马达电流，马达速度，转子位置（θr），转子速度（ωr）以及其它参数。

图3是提供了电流补偿器156的更多细节示例的方框图。正如前面提到的那样，电流补偿器156接收作为输入的测量的马达温度（T_mot）146，测量的马达速度（N_mot）148以及测量的马达电流（i_dq）154并且提供电流补偿信号（i_dqcomp）158。测量的马达温度（T_mot）146和测量的马达速度（N_mot）148由短路电流计算器162使用（在下文中结合图4更详细地讨论）以确定或计算短路电流信号（i_dq,sc）164。此外，测量的马达速度（N_mot）148由补偿增益计算器166与抽样周期（T_samp）170的量一起使用（在下文中结合图5更详细地讨论）以提供补偿增益系数（K_δ）168。在示例性实施例中，抽样周期与在马达传感器中使用的用于测量马达电流150和转子位置151的抽样周期（图2中的124）相同。短路电流信号（i_dq,sc）164从坐标变换的测量电流154减去，其结果（172）乘以174补偿增益系数（K_δ）168。该结果（176）然后加到（178）短路电流信号（i_dq,sc）164上以产生补偿电流信号（i_dqcomp）158。

图4是提供了短路电流计算器162的更多细节示例的方框图。在一个实施例中，短路电流计算器应用测量的马达温度（T_mot）146和测量的马达速度（N_mot）148至二维查找表180上以确定提供为d轴短路电流（i_d,sc）分量的值182。此外，测量的马达温度（T_mot）146和测量的马达速度（N_mot）148提供至二维查找表184以确定提供作为q轴短路电流（i_q,sc）分量的值186。共同地，d轴短路电流（i_d,sc）分量和q轴短路电流（i_q,sc）分量包括短路电流信号（i_dq,sc）164。用于二维查找表180和184的值由用于永磁马达实施例的以下等式产生：

其中，

I_d,SC	D-轴稳定状态短路电流
		I_q,SC	Q-轴稳定状态短路电流
L_d	D-轴静态电感
		L_q	Q-轴静态电感
R_s	定子电阻
		i_d	D-轴电流
i_q	Q-轴电流
		v_d	D-轴电压
v_q	Q-轴电压
		λ_PM	永磁铁的磁通匝连数
ω_r	转子电频率

在三相感应马达实施例中，用于二维查找表180和184的值由以下等式产生：

其中，

I_d,SC	D-轴稳定状态短路电流
		I_q,SC	Q-轴稳定状态短路电流
L_m	磁化电感
		L_r	转子电感
L_s	定子电感
		L_σ	定子瞬时电感
R_s	定子电感
		i_d	D-轴电流
i_q	Q-轴电流
		v_d	D-轴电压
v_q	Q-轴电压
		λ_dr	D-轴转子通量
ω_e	同步频率

在另一实施例中，短路电流计算器162包括从上述等式计算d轴短路电流（i_d,sc）分量和q轴短路电流（i_q,sc）分量的处理器以提供短路电流信号（i_dq,sc）164。

现在参照图5，示出了提供补偿增益计算器166的更多细节的方框图。补偿增益计算器166应用测量的马达速度（N_mot）148至比例因数188，在一个实施例中包括2π/60比例因数，其基于从每分钟转数至弧度每秒的单位换算。按比例的（188）测量的马达速度乘以（190）马达磁铁的磁极对数目192。例如，如果马达（图2的112）具有六个磁铁，其将具有六个磁极对。该结果194乘以抽样周期（T_samp）170的量。乘后的信号198除以2（200），并且采用三角正弦（204），其然后除以（206）除后的信号202。该结果进行平方（208）以产生补偿增益系数（K_δ）168。

现在参照图6A，示出了在没有电流补偿器156的情况下使用闭环电流控制系统（见图2）产生的误差的图表300。图表300的X轴绘出了i_d电流而Y轴绘出了i_q电流。可以看到，命令的电流302实质上与测量的电流304一致，然而，在没有本发明的电流补偿器156的情况下，实际电流306的平均值（308）与测量的电流304偏离了误差量310。当使用电流补偿器156时，图6B示出了图表312，其中命令的电流302实质上与实际电流306的平均值（308）相一致，并且实质上已经除去由测量的电流304的误差310。由于电流误差可以这样实质上除去，本发明的闭环电流控制系统提供了增加效率的同时减小逆变器的切换频率（图2的120）的优点。即，由于较高的切换频率产生较高的切换损耗，逆变器效率公知为随切换频率增加而减少。然而，在传统的系统中（见图6A中示出的结果），误差量310公知为随马达速度与切换频率的率增加而增加。因此，在传统的系统中，在马达速度的最大值已经决定的情况下存在用于减小切换频率的限制。相反地，如图6B所示，本发明的示例性实施例提供了对于马达速度的相同的最大值通过彻底地减小误差量310而减小切换频率的优点。

由于电流误差310公知为产生转矩误差，图7A示出了具有沿X轴的时间和沿Y轴的转矩（以牛顿-米（Nm））以比较具有和不具有电流补偿器156的转矩误差的图表314。可以看到，在没使用电流补偿器156的情况下，命令的转矩316不同于实际转矩320的平均值（318）为约1.5Nm的误差量。使用电流补偿器156，图7B展示了转矩误差322减小为约0Nm，因此对扭矩控制提供实质上改进的图表324。

因此，提供了电流估计系统和方法，其在实质上改进了电流估计和转矩性能的闭环控制系统中使用电流补偿器。此外，电流补偿器提供了增加效率的同时减小逆变器（图2的120）的切换频率的优点。

尽管在上述发明内容和具体实施方式中已经介绍了至少一个示例性实施例，但应当理解存在各种变化。还应当理解，示例性的一个或多个实施例并不旨在以任何方式限制本发明的范围，应用性，或结构。然而，上述发明内容和具体实施方式将为本领域技术人员提供实施上述一个或多个实施例的便利的路线图。应当理解，在不背离由权利要求限定的范围的情况下元素的功能和布置可以做出各种变化并且包括其法定等同形式。

Claims

1.一种用于电动马达的电流估计的方法，包括：

基于马达中的测量的电流、马达速度和马达温度提供用于车辆的马达的闭环电流控制系统的电流补偿信号，包括：使用马达速度和马达温度确定短路电流值；使用马达温度确定补偿增益值；以及从短路电流值和补偿增益值确定电流补偿信号；以及

2.如权利要求1所述的方法，其中确定短路电流值还包括从二维查找表格提供短路i_q值。

3.如权利要求2所述的方法，其中确定短路电流值还包括从第二二维查找表格提供短路i_d值。

4.一种用于电动马达的电流估计的方法，包括：

在工作期间感测电动马达以提供测量的马达电流、马达温度和马达速度；

基于测量的马达电流、马达温度和马达速度提供电流补偿信号，包括：使用马达速度和马达温度确定短路电流值；使用马达温度确定补偿增益值；以及从短路电流值和补偿增益值确定电流补偿信号；

调节电流命令信号以提供调节的电流命令信号；

5.如权利要求4所述的方法，其中确定短路电流值还包括从二维查找表格提供短路i_q值。

6.如权利要求5所述的方法，其中确定短路电流值还包括从第二二维查找表格提供短路i_d值。

7.如权利要求4所述的方法，确定短路电流值还包括从以下等式计算短路i_d值：，

其中ω_r为转子电频率，L_q为Q-轴静态电感，λ_PM为永磁铁的磁通匝连数，R_s为定子电阻，L_q为Q-轴静态电感。

8.如权利要求4所述的方法，其中确定短路电流值还包括从以下等式计算短路i_q值：，

9.一种车辆，包括：

电动马达；

连接到电动马达上用于感测至少马达电流、马达温度和马达速度的传感器；

基于马达速度提供增益补偿值的补偿增益计算器；以及

用于结合马达电流、短路电流值和增益补偿值以提供电流补偿信号的电路。

10.如权利要求9所述的车辆，其中短路电流计算器包括二维查找表格以提供短路电流值的i_q分量。

11.如权利要求10所述的车辆，其中提供短路电流值的i_q分量的二维查找表格包括由以下等式计算的i_q值：，

12.如权利要求9所述的车辆，其中短路电流计算器包括二维查找表格以提供短路电流值的i_d分量。

13.如权利要求12所述的车辆，其中提供短路电流值的i_d分量的二维查找表格包括由以下等式计算的i_d值：，

14.如权利要求9所述的车辆，其中闭环电流控制系统控制连接到电池和电动马达的逆变器。