CN103904974B

CN103904974B - 一种电动汽车的电机控制装置

Info

Publication number: CN103904974B
Application number: CN201210572095.5A
Authority: CN
Inventors: 周旭光; 张鑫鑫; 罗飞; 杜智勇; 陈林; 梁岂源
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2017-09-29
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: CN103904974A

Abstract

本发明提出一种电动汽车的电机控制装置，包括：检测模块，用于检测电机的当前转速；存储模块，用于存储转速频率参考曲线；以及控制模块，用于根据电机的当前转速和转速频率参考曲线获得电机的目标载波频率，并根据目标载波频率对输入电机的信号的载波进行调整。本发明的实施例通过载波频率可变的控制方式，使载波频率尽可能与当前工况匹配，一方面减弱电流波形畸变，另一方面降低开关损耗。另外，载波周期的合理匹配使得载波周期中断对CPU的占用时间更为合理。

Description

一种电动汽车的电机控制装置

技术领域

本发明涉及汽车制造技术领域，特别涉及一种电动汽车的电机控制装置。

背景技术

在基于SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制）的电机控制系统中，将逆变器和电动机（以下简称“电机”）视为一个整体，通过合成电压空间矢量，建立起逆变器功率器件的开关状态，并依据电机定子磁链矢量和定子电压之间的关系，达到控制电机定子磁链矢量幅值恒定、顶点沿圆形轨迹运动的目的，从而形成电机定子旋转磁场。旋转磁场逼近圆形的程度取决于逆变器输出的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）波周期(即载波周期)T_pwm的大小。T_pwm越小，则旋转磁场越逼近圆形，逆变器输出电流波形（交流侧，下同）越接近理想正弦波。

然而，如果载波频率过低，则旋转磁场无法很好的逼近圆形，进而造成电流波形畸变，甚至逆变器无法正常发挥功能；如果载波频率过高，则死区时间占据T_pwm的比例明显增大，同样会造成输出电流波形畸变。另外，在实际应用中，载波频率往往是固定不变的。那么对于不同转速的工况，可能存在载波频率与之不匹配的现象，从而加剧电流波形畸变，并引发其他负面效应。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一或者至少提供一种有用的商业选择。

为此，本发明的目的在于提出一种既能减弱电流波形畸变，又能降低开关损耗，且占用CPU时间合理的电动汽车的电机控制装置。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种电动汽车的电机控制装置，包括：检测模块，用于检测电机的当前转速；存储模块，用于存储转速频率参考曲线；以及控制模块，用于根据所述电机的当前转速和所述转速频率参考曲线获得所述电机的目标载波频率，并根据所述目标载波频率对输入所述电机的信号的载波进行调整。

根据本发明实施例的电动汽车的电机控制方式，通过匹配标定不同运行工况下的载波频率，实现载波频率的可变控制，一方面避免了全速工况下单一载波频率带来的额外开关损耗及软件消耗，从而降低了开关损耗及开关器件温度；另一方面减弱载波频率过低或者过高引起的电流波形畸变。另外，载波周期的合理匹配使得载波周期中断合理分配对CPU时间的占用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的结构图；

图2为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的控制模块的结构图；

图3为根据本发明另一个实施例的电动汽车的电机控制装置的控制模块的结构图；

图4为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的10KHZ载波频率时的电流波形图；

图5为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的15KHZ载波频率时的电流波形图；

图6为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的载波频率过低时的电流波形图；

图7为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的载波频率适中时的电流波形图；

图8为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的转速—载波频率离散表示意图。

图9为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的转速—载波频率参考曲线图；

图10为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的调动关系层次图；以及

图11为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的各层次处理流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的电动汽车的电机控制装置。

图1为根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置的结构图。

如图1所示，根据本发明一个实施例的电动汽车的电机控制装置100，包括：检测模块110、存储模块120和控制模块130。

具体地，检测模块110用于检测电机的当前转速，即检测电机的当前工况。

存储模块120用于存储转速频率参考曲线。在工作过程中，通过电机转速所对应的电流波形统计获得转速频率参考曲线。其中，判断电流波形对应的载波频率是否匹配的因素包括：电流波形的谐波含量、电流波形的正弦程度和电流波形的平滑程度中的一种或多种。

控制模块130用于根据电机的当前转速和转速频率参考曲线获得电机的目标载波频率，并根据目标载波频率对输入电机的信号的载波进行调整。目标载波频率即最佳载波频率。其中，控制模块130具有中断嵌套功能。

进一步地，如图2所示，控制模块130包括：后台子模块131和前台子模块132。其中，后台子模块131包括第一程序层1311，前台子模块132包括第二程序层1321和第三程序成1322。具体而言，第一程序层1311用于进行通信交互及获得检测模块110检测的当前电机的转速，第二程序层1321用于进行输出控制、故障检测以及保护策略，第三程序层1322用于对电机的电流及电压进行采样，并检测电机的转子位置，以及进行SVPWM算法的控制，并输出PWM信号。其中，第二程序层1321的中断优先级大于第一程序层1311的中断优先级，第三程序层1322的中断优先级大于第二程序层1321的中断优先级。

结合图3，控制模块130还包括：第一PWM产生模块133至第NPWM产生模块。第一PWM产生模块133至第NPWM产生模块用于产生N对同步且中心对齐的PWM波，其中，第一PWM产生模块133产生的PWM波中每个PWM周期结束之后产生第一中断，N为大于1的正整数。

作为具体的例子，下面结合图4-11描述根据本发明实施例的电动汽车的电机控制装置。

在本发明的实施例中，首先需要匹配工况与载波频率。匹配过程涉及到输入定义、匹配识别方法和应用修正三部分。匹配的主要流程是：在输入定义下（检测模块110检测电机的当前转速），调节载波频率（存储模块120存储转速频率参考曲线），控制模块130根据匹配识别方法找到合适的载波频率。

具体地，首先输入定义。输入代表的是当前的工况，选取电机转速V_m作为输入。

然后匹配识别。要识别当前工况下的载波频率是否匹配，需要根据电流波形的3方面指标进行确认：谐波含量，正弦程度，平滑程度。

具体地，谐波含量：谐波含量综合反映了电流波形的对正弦态的逼近程度。谐波含量以不超过10%为宜。

正弦程度：谐波含量分析有时候是不能直接分辨电流波形的正弦程度的。例如在相同的输入（5000RPM）定义下，载波频率分别为10KHZ、15KHZ时的谐波含量分别5.25%、7.03%。谐波含量虽然在数值上相差不大，但是实际波形却有明显差异。分别如图4、图5所示。因此有必要从主观方面对正弦程度进行判定。

平滑程度：通过平滑程度可以大体识别出载波频率是否过低。比如在相同的输入定义下，载波频率分别为4KHZ、8KHZ时的波形如图6、图7所示。由图可判定，在该输入定义下，4KHZ载波频率过低，而8Khz载波频率则在合适范围内。

最后是应用修正。实际应用中受限于电机及控制器性能，载波频率会存在一个上限值和下限值。下限值要求能够保证电动机正常启动；上限值则要求不超出控制器所能承受的最大载波频率。一旦极限值被确定下来后，综合上述输入定义和匹配识别两部分内容可以得到类似图8所示的转速—载波频率离散表示意，其横坐标表示转速(单位RPM)，纵坐标表示载波频率（单位KHZ）。在应用过程中，可以通过插值计算得到更为细致的曲线，例如图9所示。该曲线的名称定义为“载波频率参考曲线”。曲线的转速上下限分别为12000RPM，0RPM，载波频率上下限分别为10KHZ，4KHZ。将其离散表格（即图8）存储到集成控制单元的片内RAM（即存储模块）中，以加快查表速度。查表过程使用线性插值方法得到目标载波频率。例如：当转速为2000RPM时，目标载波频率为4KHZ；当转速为8000RPM时，目标载波频率为9.2KHZ。

在匹配工况与载波频率完成，得到合适的载波频率后，需要实现变载波频率运行框架。运行框架的实现涉及到控制芯片支持及前后台调度关系。

控制芯片（控制模块130）包括MCU（Micro Control Unit，微控制单元）、DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）在内的集成控制单元。这些集成控制单元要求能够产生同步且中心对齐的PWM波，且在每一个PWM周期结束后产生一个中断（命名为PovIsr中断），并在此时刻重载相关的PWM周期及比较寄存器；且需要能够提供额外的定时器，用以产生主控定时中断（命名为MtIsr中断）服务；另外，还需要集成控制单元能够支持中断嵌套。

进一步地，由于PovIsr和MtIsr的存在，可以将程序调度关系可以划分为三个层次，即ForLay(第一程序层)、MtLay(第二程序层)、和PovLay(第三程序层)，如图10所示。优先级从低到高分别是ForLay，MtLay，PovLay。其中，ForLay定义在后台子模块，MtLay和PovLay定义在前台子模块。在无中断服务子程序（No ISR）运行期间，程序都运行在ForLay。当ISR（Interrupt Service Routines,中断服务程序）被触发后，程序被立刻切换到前台子模块。在控制权方面，PovLay和MtLay都可以抢占ForLay；PovLay可以抢占MtLay，但是MtLay不允许抢占PovLay。

其中，ForLay用于运行优先级较低的任务，比如基础信号检测，通信服务等；MtLay用于一般性的定时调度任务，比如交互策略，控制策略等；PovLay则用于执行电机控制的核心任务，实现控制周期与载波周期的同步运行，例如：电机的电流及电压的采集、检测电机的转子位置、SVPWM算法的控制，并输出PWM信号等。

在上述示例的实现变载波频率程序运行框架过程中，通过对框架内容进行填充，最终得到具有完整控制功能的执行程序。具体实施所选用的集成控制单元为DSP处理器TMS320F28335。使用其片内外设EPWM模块的EPWM1、 EPWM2、EPWM3单元产生3对同步的中心对齐的PWM波，并利用EPWM1的周期下溢中断（EPWM1_INT）作为PovIsr中断源，即对应第一PWM产生模块至第NPWM产生模块，第一PWM产生模块至第NPWM产生模块用于产生N对同步且中心对齐的PWM波，其中，第一PWM产生模块产生的PWM波中每个PWM周期结束之后产生第一中断，N为大于1的正整数。另外，使用片内的CPU TIMER1产生周期为1毫秒的定时中断（TINT0），以此作为MtIsr中断源。在进入MtIsr中断后，手动恢复使能全局中断，以达到允许中断嵌套的目的，也就是允许PovLay抢占MtLay。其中，电机控制算法为SVPWM，电机类型为PMSM（permanent magnet synchronous motor，正弦反电势的永磁同步电机）。

各程序层负责的主要功能和任务如下：ForLay层（第一程序层）主要用于通信交互，基础信号检测，主控逻辑功能及其他辅助功能。MtLay层（第二程序层）用于输出控制模块，故障检测及保护策略。PovLay层（第三程序层）主要用于电流、电压信号采样，电机转子位置检测，SVPWM算法控制及PWM输出模块。

进一步地，ForLay、MtLay和PovLay三个程序层具体执行流程分别如图11左、中、右所示。如图11所示，在ForLay程序层开始执行后，首先对电机的基础信号进行检测，获得相应的主控策略，并与电机进行通信交互获取当前的电机转速。其中，在无中断服务子程序运行期间，所有的程序都运行在ForLay程序层。

结合图11，在中断子程序被触发后，MtLay程序层开始运行，首先控制输出模块以进行输出控制，然后对电机进行故障检测，若发生故障，则指定相应的保护策略。

再次结合图11，在中断子程序被触发后，PovLay程序层也开始运行，首先对电机的电流及电压进行采样，并检测电机的转子位置，且控制SVPWM模块以对SVPWM算法进行控制，以及控制PWM控模块，从而输出PWM信号。

为了提高运行效率，同时降低因PovLay抢占MtLay所造成的主控定时误差，需要将PovLay内的执行代码重定位到集成控制单元的片内RAM存储器中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种电动汽车的电机控制装置，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测电机的当前转速；

存储模块，用于存储转速频率参考曲线，其中，所述转速频率参考曲线根据所述电机转速所对应的电流波形统计获得，且根据如下因素判断所述电流波形对应的载波频率是否匹配：所述电流波形的谐波含量、所述电流波形的正弦程度和所述电流波形的平滑程度中的一种或多种；以及

控制模块，用于根据所述电机的当前转速和所述转速频率参考曲线获得所述电机的目标载波频率，并根据所述目标载波频率对输入所述电机的信号的载波进行调整，其中，所述控制模块包括后台子模块和前台子模块，所述后台子模块包括第一程序层，所述前台子模块包括第二程序层和第三程序层，且所述控制模块还包括第一PWM产生模块至第NPWM产生模块，所述第一PWM产生模块至第NPWM产生模块用于产生N对同步且中心对齐的PWM波，其中，所述第一PWM产生模块产生的PWM波中每个PWM周期结束之后产生第一中断，N为大于1的正整数。

2.如权利要求1所述的电动汽车的电机控制装置，其特征在于，所述第一程序层用于进行通信交互及获得所述检测模块检测的当前转速，所述第二程序层用于进行输出控制、故障检测及保护策略，所述第三程序层用于对所述电机的电流及电压进行采样，并检测所述电机的转子位置，以及进行SVPWM算法的控制，并输出PWM信号。

3.如权利要求2所述的电动汽车的电机控制装置，其特征在于，所述第二程序层的中断优先级大于所述第一程序层的中断优先级，所述第三程序层的中断优先级大于所述第二程序层的中断优先级。

4.如权利要求3所述的电动汽车的电机控制装置，其特征在于，所述控制模块具有中断嵌套功能。