CN103684189A - 电机扭矩容量确定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机扭矩容量确定。一种车辆包括电机，电机配置有至少一个控制器，所述至少一个控制器通过使用电压总线发出扭矩命令。所述控制器可被配置成：基于包括车辆速度、加速踏板位置、制动踏板位置和各种其他车辆数据的多个车辆系统输入，对扭矩请求作出响应。控制器可通过基于电机的速度和总线上的电压发出针对电机的扭矩命令，而对超过阈值的扭矩请求作出响应。基于电机的速度和总线上的电压，当所述速度和所述电压改变时，控制器可使得电机的扭矩输出恒定。使用电机的速度与总线上的电压计算比值以确定扭矩容量可在所述比值恒定时产生恒定扭矩。

Description

电机扭矩容量确定

技术领域

本公开涉及对电动机的控制。

背景技术

永磁同步电动机（PMSM）用于各种应用，其原因是相对于其他类型的电动机来说，PMSM通常具有良好的效率特性。通常，PMSM在定子内具有三个独立的电绕组，这三个独立的电绕组分别由振荡的交流（AC）电压源供电。电动机的轴扭矩和功率转换效率取决于振荡电压的振幅和相位角。

在诸如电动车辆和混合动力电动车辆的特定应用中，可从不振荡的直流（DC）电压源（例如，电池）获得电功率。因此，逆变器用于将不振荡电压转换成三个振荡电压。逆变器包含离散数量的开关装置，因此，逆变器能够在三个电动机端子中的每个电动机端子处仅供应离散数量的电压电平。对于两电平逆变器来说，在任何时刻，开关装置都被设置为将三个AC端子中的每个AC端子电连接到正DC端子或负DC端子。因此，可获得8个开关状态。这些开关状态中的两个开关状态被称为零状态，在这两个开关状态下，所有的三个AC端子均连接到相同的DC端子。在其余的六个状态下，一个AC端子连接到DC总线端子中的一个，其他两个AC端子连接到相反的DC总线端子。逆变器能够在这8个状态之间快速地切换。

已知两种基本的控制方法用于在逆变器状态之间进行切换，以调节PMSM的扭矩输出。在六步法中，每经历一个转子周期，逆变器就循环通过六个非零状态一次，从而在每个绕组中产生振荡电压和电流。转子周期相对于电动机的极进行限定，其不一定对应于周转（complete revolution）。AC电压的振幅由DC电压决定。扭矩由DC电压、转子速度以及这些准正弦AC电压信号与转子位置之间的相位差决定。控制器向逆变器发出指示何时切换到序列中的下一个状态的命令。在PWM方法中，逆变器在两个非零状态和一个零状态之间非常快速地切换。控制器通过指定PWM占空比来指定应该花费在这三个状态中的每个状态上的时间百分比。控制器每隔一定时间更新这些占空比，使得更新的频率明显高于转子旋转的频率。

在图1中示出的示例性实施例中示出了典型的PMSM的一些一般特性。操作区域取决于DC电压。如图所示，在参考DC电压时，正速度正扭矩操作区域可以以实线110、112和114为边界。在低速时，最大可用扭矩可由最大绕组电流限制，如由线110所指示的。线112指示在更高的速度时由电压限制的最大可用扭矩。在被称为拐点的点116处，电流和电压均处于其各自的最大值。线114指示整体最大额定速度。虚线指示在DC电压高于参考DC电压时对应的操作区域。在磁芯不饱和且电流或电压没有表现出任何无用的增加的情况下，PMSM不能实现超过由最大绕组电流限制的扭矩突增。如果扭矩突增超过电机的最大操作扭矩额定值，则换向器处的过量火花会导致PMSM不可修复地损坏。

PMSM可产生正扭矩或负扭矩，且可沿着正方向或负方向旋转。在正速度负扭矩象限中，PMSM用作发电机将机械能转换成电能。在该象限中，虽然对应于电压限制的最小扭矩曲线可能不是线112的镜像，但是特性类似于在图1中示出的特性。负速度区域紧密跟随围绕原点旋转180度的正速度区域。

发明内容

一种车辆包括电机，电机配置有至少一个控制器，所述至少一个控制器通过使用电压总线发出扭矩命令。所述控制器可被配置成：基于包括车辆速度、加速踏板位置、制动踏板位置和各种其他车辆数据的多个车辆系统输入，对扭矩请求作出响应。控制器可通过基于电机的速度和总线上的电压发出针对电机的扭矩命令，而对超过阈值的扭矩请求作出响应。基于电机的速度和总线上的电压，当所述速度和所述电压改变时，控制器可使得电机的扭矩输出恒定。基于现在用于确定扭矩的比值，扭矩输出可保持恒定。使用电机的速度与总线上的电压计算比值以确定扭矩容量可在所述比值恒定时产生恒定扭矩。

一种车辆包括电机，电机配置有至少一个控制器，所述至少一个控制器通过使用电压总线发出扭矩命令，同时使经过电机绕组的电流的振幅和相位保持不变。车辆可包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置成：基于包括车辆速度、加速踏板位置、制动踏板位置和各种其他车辆数据的多个车辆系统输入，对扭矩请求作出响应。控制器被配置成通过基于电机的速度和总线上的电压发出针对电机的扭矩命令，而对超过阈值的扭矩请求作出响应。基于电机的速度和总线上的电压，当所述速度和所述电压根据速度与电压的恒定比值改变时，控制器可使得经过绕组的电流的振幅和相位基本上不变。

一种用于控制电机的方法对超过阈值的扭矩请求作出响应。控制器可基于电机的速度和总线上的电压而发出针对电机的扭矩命令，使得当所述速度和所述电压根据速度与电压的恒定比值改变时，保持经过电机绕组的电流的振幅和相位基本上不变。该方法可改善电机容量的利用率，同时提供更接近于请求的扭矩的传递扭矩。

一种车辆包括：具有绕组的电机；总线；控制器，控制器被配置成：响应于超过阈值的扭矩请求，基于电机的速度和总线上的电压而发出针对电机的扭矩命令，使得当所述速度和所述电压根据速度与电压的恒定比值改变时，经过绕组的电流的振幅和相位基本上保持不变。

控制器包括可变电压控制器。

阈值大约等于电机的最大扭矩容量。

阈值基于电机的速度和总线上的电压。

电机是永磁同步电动机。

控制器包括车辆系统控制器、发动机控制器、可变电压控制器及电动机控制器。

一种用于控制电机的方法包括：响应于超过阈值的扭矩请求，基于电机的速度和与电机电连接的总线上的电压而发出针对电机的扭矩命令，使得当所述速度和所述电压根据速度与电压的恒定比值改变时，经过电机绕组的电流的振幅和相位基本上保持不变。

阈值大约等于电机的最大扭矩容量。

阈值从单个独立变量查找表获得。

单个独立变量查找表基于转子速度与总线电压的比值利用扭矩值进行校准。

经过电机绕组的电流的振幅和相位产生大致恒定的扭矩输出。

附图说明

图1是永磁同步电动机的操作区域的一般特性的曲线图；

图2是示例性混合动力电动车辆的动力传动系的示意图；

图3是示例性混合动力电动车辆的动力传动系中的控制器简图；

图4是用于永磁同步电动机的控制方法的流程图；

图5是使用多维查找表的图形表示；

图6是用于调节扭矩请求的方法的流程图；

图7是示出多维查找表与含单个独立变量的表之间的差异的图形表示。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应该理解到，公开的实施例仅仅是示例，其他实施例可采用各种和可选的形式。附图不一定按照比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不应该被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一幅图示出和描述的各个特征可与在一幅或多幅其他附图中示出的特征相结合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定应用或实施方式。

在图2中示出了示例性混合动力电动车辆的动力传动系的示意图。然而，要求保护的发明不限于该动力传动系结构。内燃发动机220驱动行星齿轮组224的行星架222。通过行星齿轮组224在太阳齿轮226和齿圈228之间分配发动机扭矩。齿圈的扭矩机械地传递到输出轴230。太阳齿轮的扭矩被发电机232吸收。电动机234可驱动地连接到输出轴230。在这整个描述中，术语“发电机”和“电动机”仅用作标签，以识别这些部件。发电机232和电动机234均是既能够将机械轴功率转换成电功率又能够将电功率转换成机械轴功率的可逆电机。驱动轴可驱动地连接到差速器238，差速器238在左车轮和右车轮240之间分配功率，同时允许车轮速度稍有差异。电功率连接由具有长划的虚线示出。发电机232由逆变器242通过三相功率电路电驱动，电动机234由逆变器244通过三相功率电路电驱动。逆变器242和244从DC电总线248获取功率或者将功率供应到DC电总线248。电功率储存在电池246中。DC-DC转换器247将电池246的电压电平转换成DC电总线248的电压电平。DC电总线的电压可以高于或低于电池的电压。控制信号连接由具有短划的虚线示出。控制器250向DC-DC转换器247发出指定DC电总线248的期望电压的控制信号。控制器250还向发动机220以及逆变器242和244发出控制命令，以调节分别由发动机220、发电机232和电动机234产生的扭矩。如果由电动机234实际传递的扭矩明显不同于请求的扭矩，则车辆的加速度将与驾驶员的期望不匹配。如果由发电机232实际传递的扭矩明显不同于请求的扭矩，则发动机速度将偏离期望的行为。

在图3中示意性地示出了控制器250的更多细节。车辆系统控制器302接收指示车辆速度、加速踏板位置、制动踏板位置和各种其他车辆数据的信号。基于该数据，车辆系统控制器302确定目标DC总线电压和目标输出轴扭矩，并向发动机控制器304发出扭矩请求T_{req_eng}，向发电机控制器306发出扭矩请求T_{req_gen}，向电动机控制器308发出扭矩请求T_{req_mot}。发电机控制器306的输出是针对于逆变器242内的开关的开关状态，电动机控制器308的输出是针对于逆变器244内的开关的开关状态。这些控制器可使用分解器来监控电动机的角度信息。控制器接收指示对应转子的角位置（标记为Θ_R）、DC总线248的电压（标记为V_dc）以及每个绕组中的电流（标记为I_a、I_b和I_c）的输入信号。可变电压控制器310向DC-DC转换器247发出命令，以实现目标总线电压。控制器302、304、306、308和310可实施为单个微控制器或通信的多个控制器。

发电机232和电动机234中的一个或两者可以是永磁同步电动机（PMSM）。对于PMSM来说，绕组电压V_a、V_b和V_c均以与转子速度成比例的频率振荡，且绕组电压V_a、V_b和V_c在相位上彼此分开120度。类似地，所产生的绕组电流I_a、I_b和I_c均以与转子速度成比例的频率振荡，且绕组电流I_a、I_b和I_c在相位上彼此分开120度。这些绕组电流在电动机中感应出旋转磁场，所述旋转磁场可能与转子不同相。产生的轴扭矩取决于磁场的强度和相对于转子的相位角两者。为了方便，绕组电压和绕组电流可由与转子一起旋转的旋转参考系中的矢量表示。转子位置和旋转参考系之间的映射取决于电动机中的极的数量。电压矢量的两个分量被标记为V_d和V_q，而电流矢量的两个分量被标记为I_d和I_q。V_d、V_q、I_d和I_q不会基于转子位置而振荡。为了方便，将针对于电动机234讨论控制方法，但是所述控制方法也适用于发电机232。

图4示出了针对于每次更新使用PWM方法和六步控制法进行的计算。在402处，控制器通过将转子速度除以总线电压来计算归一化速度ω_Norm。在404处，控制器在必要时调节来自车辆系统控制器的扭矩请求，以确保对于当前的转子速度和总线电压来说请求的扭矩在电动机操作区域内。在406处，控制器基于调节后的扭矩请求和归一化速度在PWM和六步控制法之间进行选择。如果选择六步模式，则在408处控制器基于六步法计算逆变器命令。如果选择PWM模式，则在410处控制器基于PWM方法计算逆变器命令。

控制器通常使用查找表来表示不规则函数。由于最大扭矩容量阈值是转子速度ω和总线电压V_dc两者的函数，所以通常可使用多维查找表（例如表1）。如果独立变量（在这种情况下为转子速度ω和总线电压V_dc）中的任意一个独立变量落在表所列出的值之间，则控制器可选择所述值中的一个值或者可在所述值之间插值。对于非线性函数（例如，最大扭矩容量）来说，这些近似方法中的任意一种方法相对于底层函数引入一些误差。对于最大扭矩容量来说，保守的方法是选择表所列出的值中小于V_dc的最大值V_n。通常，在车辆校准期间基于实验数据填充查找表。填充该表需要在各种电压电平处进行实验。使用大量不同的电压电平减小了近似误差，但是增加了填充该表所需要的工作、由该表消耗的控制器存储器以及查找值所需要的时间。

表1

图5示出了基于多种电压电平和转子速度使用多维查找表的图形表示。例如，线504表示在特定的总线电压时校准的最大扭矩容量。线506、508和510表示在逐渐变得更高的总线电压时校准的最大扭矩容量。当基于总线电压V_dc和转子速度ω确定最大扭矩容量阈值时，可使用查找表。如果总线电压值在两个校准的总线电压电平之间，则控制器可基于较小的总线电压电平查找最大扭矩容量阈值。例如，如果总线电压落在与线504相关的电平和与线506相关的电平之间，则最大扭矩容量阈值将如点514所示。如果请求的扭矩512大于最大扭矩容量阈值，则扭矩请求被限制在最大扭矩容量阈值。将请求的扭矩限制在与较小的总线电压电平相关的水平会导致电机的容量得不到充分利用。

作为将多维查找表用于最大扭矩容量阈值的替代方式，使用如在图4中的402处计算的单个独立变量ω_Norm。表2示出了最大扭矩容量与归一化速度对比的表。使用含单个独立变量的表减小了近似误差和校准工作。单个独立变量查找表可用于改善PMSM性能同时减少使用的控制器存储器。

表2

归一化速度	扭矩
		ωNorml	T1
ωNorm2	T2
		ωNorm3	T3
ωNorm4	T4
		ωNorm5	T5
ωNorm6	T6
		ωNorm7	T7
ωn	Tn

图6示出了在图4中的404处调节扭矩请求的方法。查找表分别存储作为归一化速度ω_Norm的函数的最大扭矩容量T_{cap_pos}和最小扭矩容量T_{cap_neg}。在校准期间基于测试填充这些表，以表征电动机。校准期间的测试可发生在总线电压不同于当前的总线电压时。在602处，控制器查找在当前的归一化速度条件下的值。归因于电动机特性的对称性，仅针对于正速度填充表。当电动机速度为正时，如果扭矩请求小于最小容量阈值，则在604处限制扭矩请求，如果扭矩请求超过最大容量阈值，则在606处限制扭矩请求。否则，在608处，扭矩请求不变。当电动机速度为负时，T_{cap_pos}和T_{cap_neg}的角色颠倒，在610和612处限制超出范围的请求。该方法的输出是调节后的扭矩请求T_{req_adj}。

图7示出了使用含单个独立变量的表和使用含两个独立变量的表之间的差异。在本示例中，转子速度ω和总线电压V_dc均逐渐地且成比例地增加，使得比值保持恒定。扭矩请求702大于电动机容量，所以可能需要限制操作（clipping）。线704示出了如通过多维表计算的最大扭矩容量阈值。当电压在表所列出的电平中的两个电平之间（如在图5中提到的）时，最大扭矩容量阈值遵循与这两个电压中的较小电压相关的曲线。当电压增加到表所列出的值之上时，最大扭矩容量阈值跳转到下一个曲线。即使使用插值而非选择较小的电压，最大扭矩容量阈值仍将波动，其原因是表所列出的函数是非线性的。线706示出了如基于归一化速度计算的最大扭矩容量阈值。由于速度和电压成比例地增加，所以归一化速度不改变。因此，最大扭矩容量阈值706不改变，并可在一定的时间段内保持恒定。

通过使用公开的方法和系统，改善了PMSM扭矩容量的利用率。通过改善PMSM扭矩容量确定，PMSM系统可传递更接近于请求的扭矩的扭矩。代替将扭矩请求限制在查找表内的电压值，控制器现在可基于转子速度与总线电压的比值传递恒定的扭矩值。计算恒定的扭矩值，以获得PMSM的最大扭矩容量，从而确保请求者所期望的响应。

虽然在上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意在描述了权利要求所包含的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被结合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。虽然各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或多个期望的特性方面优于其他实施例或现有技术的实施方式，但是本领域的普通技术人员应该认识到，一个或多个特点或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或多个特性方面不如其他实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (6)

1.一种车辆，包括：

电机；

总线；

至少一个控制器，被配置成：响应于超过阈值的扭矩请求，基于电机的速度和总线上的电压而发出针对电机的扭矩命令，使得当所述速度和所述电压根据速度与电压的恒定比值改变时，由电机输出的扭矩大致保持恒定。

2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述至少一个控制器包括被编程为调节总线上的电压的可变电压控制器。

3.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述阈值大约等于电机的最大扭矩容量。

4.根据权利要求3所述的车辆，其中，所述阈值基于电机的速度和总线上的电压。

5.根据权利要求1所述的车辆，其中，电机是同步电动机。

6.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器包括车辆系统控制器、发动机控制器、可变电压控制器及电动机控制器。

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