CN105730435B - 一种动力电机辅助换挡控制系统和方法 - Google Patents

一种动力电机辅助换挡控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动力电机辅助换挡控制系统和方法，本发明在换挡控制系统中引入了PI控制单元，通过对电机转速进行PI控制以解决现有技术没有考虑在换挡过程中由于电机快速调速导致的电压冲击问题，受整个换档同步时间的限制，耦合在变速箱输入轴的动力电机需要在几百毫秒内完成约数百转的调速，在电池端电压较高的情况下，其瞬间的能量回馈将导致很大的电压冲击，甚至导致逆变器过压损坏，进而导致换挡同步失败、导致变速箱打齿，不但影响换挡品质而且影响变速箱和电池使用寿命。因此，本发明中对换挡调速过程的电压抑制是保证可靠换挡、延长变速箱和电池寿命的有效措施。

Description

一种动力电机辅助换挡控制系统和方法
技术领域
本发明属于动力电机换挡控制技术领域，具体涉及一种动力电机辅助换挡控制系统和方法。
背景技术
近年来，混合动力及纯电动汽车得到广泛应用，电机是主要动力源之一，它与发动机、变速箱、减速器、差速器及车轮均可通过直接或间接的机械方式进行耦合，实现混合动力或纯电动车所需各种功能，尤其是通过动力电机与多档变速箱的机械耦合，可以实现电机与变速箱的协调控制，提高同步换挡时间，减小齿轮间冲击，延长使用寿命。
申请号：CN201120032921.8专利披露了《一种电动汽车换挡同步控制系统》，该发明设计了直流有刷电机驱动的离合器操纵机构，同时在三挡变速箱输入轴上装配转速传感器，通过驱动电机控制器与整车控制单元协调控制，实现驱动电机与变速箱输入轴转速同步后的离合器自动结合，形成一种电动汽车换挡同步控制系统，保证动力的连续平稳传递，实现车辆乘坐舒适性。其优点是通过对离合器操纵机构的执行电机控制，实现换挡后离合器自动结合的平顺性，从而提高换挡平顺性；缺点是由于离合器分离与闭合的频率较高，因此，驱动离合器的执行电机工况恶劣，对于直流有刷电机结构的执行电机来说会不但增加电刷磨损而且电机热负荷也较大，影响其寿命及可靠性。
申请号：CN201010149350.6专利披露了《一种混合动力车用电机零转矩控制双同步换挡方法》，其特征是检测车速和节气门开度确定换挡点，分开离合器，摘旧档，调节发动机转速至目标转速，给定电机目标转速，电机调速到目标转速，挂新档，电机输出力矩，结合离合器后完成换挡过程。其优点是通过动力电机进行换挡，实现换挡平顺性，同时，在换挡前后电机进入零转矩随动状态可以有效减轻电机残余力矩对变速箱轴齿的机械冲击，因此延长了变速箱使用寿命。其缺点是转动惯量较大的电机即使零转矩随动也将对轴齿造成冲击。
申请号：CN200910191532.7专利披露了《一种电动车多挡变速电机同步换挡系统》，该发明公开的电机同步换挡系统，包括控制器、与控制器连接的换挡开关和挡位显示器；其特征在于：电机转速传感器设在电机的转轴上并与控制器连接；主轴上的挡位齿轮与副轴的挡位齿轮啮合/对应；副轴转速传感器件设在副轴上并与控制器连接；位置传感器件设在变速鼓上并与控制器连接。其优点是通过自动保持同步转速，提高一次换挡成功率，避免机械离合器人为操作不当所带来的换挡冲击大、换挡过渡平稳性能差，舒适度低的缺点；同步线速度高，换挡无冲击提高齿轮寿命；无机械离合器，减低制造成本；离合器故障率降低，后期维护简单，提高整机使用寿命。
以上专利只考虑了换挡机构及换挡过程控制方法，但是没有考虑在换挡过程中由于电机快速调速导致的电压冲击问题，受整个换档同步时间的限制，耦合在变速箱输入轴的动力电机需要在几百毫秒内完成约数百转的调速，在电池端电压较高的情况下，其瞬间的能量回馈将导致很大的电压冲击，甚至导致逆变器过压损坏，进而导致换挡同步失败、导致变速箱打齿，不但影响换挡品质而且影响变速箱和电池使用寿命，因此，对换挡调速过程的电压抑制是保证可靠换挡、延长变速箱和电池寿命的有效措施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用动力电机辅助换挡控制系统，用于解决换挡过程中由于动力电机快速调速产生的直流母线电压冲击，影响变速箱换挡品质、动力电池使用寿命的问题。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明所述的一种动力电机辅助换挡控制系统包括变速箱控制单元1、整车控制单元2、电机控制单元3、逆变器4、相电流传感器9、位置传感器10、动力电池5、动力电机6、机械连接装置7和变速箱8；
变速箱控制单元1负责根据当前档位和目标档位计算电机目标转速ω*，并向整车控制单元发出换挡请求和电机目标转速ω*指令；
整车控制单元2负责接收变速箱控制单元1的换挡请求和电机目标转速ω*，并向电机控制单元3转发电机目标转速ω*，
电机控制单元3包括转速检测单元33、PI控制单元31、升降速模式判断单元32、直交轴电流指令查表单元34和磁场定向矢量控制(Field Oriented Control，简写为FOC)单元35；转速检测单元33负责根据电机位置传感器10的信号进行电机转速检测；PI控制单元31根据转速指令ω*与电机实际转速ω的差Δω进行转速PI调节，其输出为转矩指令T*；升降速模式判断单元32判断是升速模式还是降速模式；直交轴电流指令查表单元34根据升降速模式选择直交轴电流指令选择曲线，在升速模式下选择使用最大转矩电流比控制曲线(Max.Torque Per.Ampere，简写为MTPA)进行查表获得直交轴电流指令，在降速模式下选择使用最大电流最小转矩曲线(Max.Ampere Per.Torque，简写为MAPT)进行查表获得直交轴电流指令，并将直交轴电流指令输入到FOC矢量控制单元35；FOC矢量控制单元35负责生成低压脉宽调制(Pulse Width Modulation，简写为PWM)信号，输入到逆变器；
逆变器4负责接收低压PWM信号，并将其转换为高压PWM信号驱动动力电机；
相电流传感器9负责检测电机三相电流中的任意两相；
位置传感器10负责检测电机转子的绝对位置；
动力电机6负责根据逆变器输出的高压PWM信号进行转速调节；
动力电池5负责为逆变器提供电能或者接收回馈电能；
机械连接装置7负责动力电机与变速箱输入轴之间的机械连接；
变速箱8负责根据变速箱控制单元的指令进行换挡操作；
其中，整车控制单元2与电机控制单元3、整车控制单元2与变速箱控制单元1之间通过CAN总线进行信息交互。
本发明的控制过程包括如下步骤：
第一步：变速箱控制单元1根据当前变速箱输出轴转速ω’、目标档位速比i*通过式(1)计算电机目标转速ω*，
ω*＝ω’×i* (1)；
然后将电机目标转速ω*发给整车控制单元2；
第二步：整车控制单元2将电机目标转速ω*指令发给电机控制单元3；
第三步：电机控制单元3根据目标转速ω*和实际转速ω是都相同来决定是否进入转速模式，所述转速模式根据转速指令ω*和电机实际转速ω的差Δω进行PI控制，通过PI控制后实际转速将逐步接近目标转速，如是转至第四步；如否则退出程序；
第四步：转速检测单元33检测电机实际转速ω；
第五步：电机控制单元3计算电机目标转速ω*与电机实际转速ω的差Δω，并由PI控制单元31进行转速PI控制，输出电机转矩指令T*；
第六步：电机控制单元3中的升降速模式判断单元32根据Δω的正负判断是否升速模式：如是转至第七步；如否转至第八步；
第七步：直交轴电流指令查表单元34根据转矩指令T*查最大转矩电流比(MTPA)表格，获得交直轴电流指令；
第八步：直交轴电流指令查表单元34根据转矩指令T*查最大电流最小转矩(MAPT)表格，获得交直轴电流指令；
第九步：将第七步或第八步中获得的直交轴电流指令值输入到FOC矢量控制单元35；FOC矢量控制单元35根据相电流传感器9传输的电流相位Ia和Ib、位置传感器10传输的位置信号以及直交轴电流指令查表单元34传输的直交轴电流指令生成低压脉宽调制(Pulse Width Modulation，简写为PWM)信号，输入到逆变器4；逆变器4将低压PWM信号转换为高压PWM信号驱动电机；
第十步：电机控制单元3判断是否转速模式：如是转至第四步；如否则退出程序。
本发明的有益效果：
本发明中的控制方法在换挡过程中，首先，根据目标转速和当前转速判断工作在升速还是降速模式，在升速模式下，选择用最大转矩电流比控制曲线可以抑制直流母线电压尖峰；在降速模式下，选择用最小电流最大转矩工作曲线可以减缓直流母线电压跌落，其直接效果是减小直流母线的纹波电流提高电池使用寿命，同时也有效的保护了连接在直流母线上的其他高压附件，如高压空调、DC/DC等部件。其次，本发明中使用了PI调节器，不但提高了转速控制的响应时间同时也抑制了超调，因此缩短了换挡时间改善了换挡品质，同时也由于较小的稳态速度差也延长了变速箱的使用寿命。最后，该控制方法是基于成熟的FOC矢量控制系统框架，只改变其直交轴电流参考值的选取原则，因此，对原有系统改变最小，可以保证该控制系统可靠安全运行。
附图说明
图1是一种动力电机辅助换挡控制原理框图。
图中标记如下：1变速箱控制单元、2整车控制单元、3电机控制单元、4逆变器、5动力电池、6动力电机、7机械连接装置、8变速箱、9相电流传感器、10位置传感器；31PI控制单元、32升降速模式判断单元、33转速检测单元、34直交轴电流指令查表单元和35磁场定向矢量(Field Oriented Control，简写为FOC)矢量控制单元。
图2是动力电机辅助换挡控制方法流程图。
图3是电机力矩输出曲线。
具体实施方式
下面根据说明书附图以实施例的形式对本发明技术方案做进一步解释和说明。
实施例1
如图1所示，一种动力电机辅助换挡控制系统包括变速箱控制单元1、整车控制单元2、电机控制单元3、逆变器4、相电流传感器9、位置传感器10、动力电池5、动力电机6、机械连接装置7和变速箱8；
变速箱控制单元1负责根据当前档位和目标档位计算同步转速，并向整车控制单元发出换挡请求和同步转速指令；
整车控制单元2负责接收变速箱控制单元1的换挡请求和同步转速，并向电机控制单元3转发转速指令ω*，
电机控制单元3包括转速检测单元33、PI控制单元31、升降速模式判断单元32、直交轴电流指令查表单元34和磁场定向(Field Oriented Control，简写为FOC)矢量控制单元35；转速检测单元33负责根据位置传感器10的信号进行电机转速检测；PI控制单元31根据转速指令ω*与电机实际转速ω的差Δω进行转速PI调节，其输出为转矩指令T*；升降速模式判断单元32判断是升速模式还是降速模式；直交轴电流指令查表单元34根据升降速模式选择直交轴电流指令选择曲线，在升速模式下选择使用最大转矩电流比控制曲线(Max.Torque Per.Ampere，简写为MTPA)进行查表获得直交轴电流指令，在降速模式下选择使用最大电流最小转矩曲线(Max.Ampere Per.Torque，简写为MAPT)进行查表获得直交轴电流指令，并将直交轴电流指令输入到FOC矢量控制单元35；FOC矢量控制单元35负责生成低压脉宽调制(Pulse Width Modulation，简写为PWM)信号，输入到逆变器；
逆变器4负责接收低压PWM信号，并将其转换为高压PWM信号驱动动力电机；
相电流传感器9负责检测电机三相电流中的任意两相；
位置传感器10负责检测电机转子的绝对位置；
动力电机6负责根据逆变器输出的高压PWM信号进行转速调节；
动力电池5负责为逆变器提供电能或者接收回馈电能；
机械连接装置7负责动力电机与变速箱输入轴之间的机械连接；
变速箱8负责根据变速箱控制单元的指令进行换挡操作；
其中，整车控制单元2与电机控制单元3、整车控制单元2与变速箱控制单元1之间通过CAN总线进行信息交互。
如图2所示，本实施例中的控制过程包括如下步骤：
第一步：变速箱控制单元1根据当前变速箱输出轴转速ω’、目标档位速比i*通过式(1)计算电机目标转速ω*，
ω*＝ω’×i* (1)；
然后将电机目标转速ω*发给整车控制单元2；
第二步：整车控制单元2将电机目标转速ω*指令发给电机控制单元3；
第三步：电机控制单元3根据目标转速ω*和实际转速ω是都相同来决定是否进入转速模式，所述转速模式根据转速指令ω*和电机实际转速ω的差Δω进行PI控制，通过PI控制后实际转速将逐步接近目标转速，如是转至第四步；如否则退出程序；
第四步：转速检测单元33检测电机实际转速ω；
第五步：电机控制单元3计算电机目标转速ω*与电机实际转速ω的差Δω，并由PI控制单元31进行转速PI控制，输出电机转矩指令T*；
第六步：电机控制单元3中的升降速模式判断单元32根据Δω的正负判断是否升速模式：如是转至第七步；如否转至第八步；
第七步：直交轴电流指令查表单元34根据转矩指令T*查最大转矩电流比(MTPA)表格，获得交直轴电流指令；
第八步：直交轴电流指令查表单元34根据转矩指令T*查最大电流最小转矩(MAPT)表格，获得交直轴电流指令；
第九步：将第七步或第八步中获得的直交轴电流指令值输入到FOC矢量控制单元35；FOC矢量控制单元35根据相电流传感器9传输的电流相位Ia和Ib、位置传感器10传输的位置信号以及直交轴电流指令查表单元34传输的直交轴电流指令生成低压脉宽调制(Pulse Width Modulation，简写为PWM)信号，输入到逆变器4；逆变器4将低压PWM信号转换为高压PWM信号驱动电机；
第十步：电机控制单元3判断是否转速模式：如是转至第四步；如否则退出程序。
图3为最大转矩电流比(MTPA)曲线，其获取有现有两种方式，一种是通过电机转矩公式进行计算，简称公式法；另一种是通过试验进行标定，简称标定法；
公式法具体计算过程：对于正弦波电流的三相永磁同步电机，则其电磁转矩方程如下：
Te＝1.5×p·[ψmiq+(Ld-Lq)·idiq] (2)
式中Te为转矩；id、iq为d-q轴电流；Ld和Lq为d-q轴电感；p为电机转子极对数；ψm为永磁体磁链。
当采用MTPA控制时，电动机的电流矢量应该满足如下公式：
id 2+iq 2＝is 2 (4)
其中，is为定子电流幅值。
可得：
式表示的函数关系转换为dq轴电流，即为最大转矩电流比(MTPA)曲线，将该曲线上的点分解到dq轴电流形成的表格即为最大转矩电流比(MTPA)表格。
标定法过程：在试验台架上，逆变器电流幅值从最小到最大，在每个固定的电流幅值下，随着电流相角增加，可以得到转矩与电流相角的对应关系曲线，通过上述试验曲线可以看出，同一电流幅值在不同的电流角的情况下产生力矩不同，每个电流幅值下都存在一个相位值，使得电机产生的扭矩最大，将这些点连接起来便可以得到一个曲线，该曲线即为电机的MTPA曲线，将该曲线上的点分解到dq轴电流形成的表格即为最大转矩电流比(MTPA)表格。

Claims (2)

1.一种动力电机辅助换挡控制系统，其特征在于，包括变速箱控制单元（1）、整车控制单元（2）、电机控制单元（3）、逆变器（4）、相电流传感器（9）、位置传感器（10）、动力电池（5）、动力电机（6）、机械连接装置（7）和变速箱（8）；
变速箱控制单元（1）负责根据当前档位和目标档位计算电机目标转速ω*，并向整车控制单元（2）发出换挡请求和电机目标转速ω*指令；
整车控制单元（2）负责接收变速箱控制单元（1）的换挡请求和电机目标转速ω*指令，并向电机控制单元（3）转发电机目标转速ω*指令，
电机控制单元（3）包括转速检测单元（33）、PI控制单元（31）、升降速模式判断单元（32）、直交轴电流指令查表单元（34）和磁场定向矢量控制单元（35）；转速检测单元（33）负责根据位置传感器（10）的信号进行电机转速检测；PI控制单元（31）根据电机目标转速ω*指令与电机实际转速ω的差Δω进行转速PI调节，其输出为转矩指令T*；升降速模式判断单元（32）判断是升速模式还是降速模式；直交轴电流指令查表单元（34）根据升降速模式选择直交轴电流指令选择曲线，在升速模式下选择使用最大转矩电流比控制曲线进行查表获得直交轴电流指令，在降速模式下选择使用最大电流最小转矩曲线进行查表获得直交轴电流指令，并将直交轴电流指令输入到磁场定向矢量控制单元（35）；磁场定向矢量控制单元（35）负责生成低压脉宽调制信号，输入到逆变器（4）；
逆变器（4）负责接收低压脉宽调制信号，并将其转换为高压脉宽调制信号驱动动力电机；
相电流传感器（9）负责检测电机三相电流中的任意两相；
位置传感器（10）负责检测电机转子的绝对位置；
动力电机（6）负责根据逆变器输出的高压脉宽调制信号进行转速调节；
动力电池（5）负责为逆变器提供电能或者接收回馈电能；
机械连接装置（7）负责动力电机与变速箱输入轴之间的机械连接；
变速箱（8）负责根据变速箱控制单元的指令进行换挡操作；
其中，整车控制单元（2）与电机控制单元（3）、整车控制单元（2）与变速箱控制单元（1）之间通过控制器局域网络总线进行信息交互。
2.根据权利要求1所述的一种动力电机辅助换挡控制系统的控制方法，包括如下步骤：
第一步：变速箱控制单元（1）根据当前变速箱输出轴转速ω’和目标档位速比i*通过式（1）计算电机目标转速ω*，
ω*=ω’× i* （1）
然后变速箱控制单元（1）将电机目标转速ω*发给整车控制单元（2）；
第二步：整车控制单元（2）将电机目标转速ω*指令发给电机控制单元（3）；
第三步：电机控制单元（3）根据电机目标转速ω*和电机实际转速ω是都相同来决定是否进入转速模式，所述转速模式根据转速指令ω*和电机实际转速ω的差Δω进行PI控制，通过PI控制后实际转速将逐步接近目标转速，如是转至第四步；如否则退出程序；
第四步：转速检测单元（33）检测电机实际转速ω；
第五步：电机控制单元（3）计算电机目标转速ω*与电机实际转速ω的差Δω，并由PI控制单元（31）进行转速PI控制，输出电机转矩指令T*；
第六步：电机控制单元（3）中的升降速模式判断单元（32）根据Δω的正负判断是否升速模式：如是转至第七步；如否转至第八步；
第七步：直交轴电流指令查表单元（34）根据转矩指令T*查最大转矩电流比表格，获得交直轴电流指令；
第八步：直交轴电流指令查表单元（34）根据转矩指令T*查最大电流最小转矩表格，获得交直轴电流指令；
第九步：将第七步或第八步中获得的直交轴电流指令值输入到磁场定向矢量控制单元（35）；磁场定向矢量控制单元（35）根据相电流传感器（9）传输的电流相位Ia和Ib、位置传感器（10）传输的位置信号以及直交轴电流指令查表单元（34）传输的直交轴电流指令生成低压脉宽调制信号，输入到逆变器（4）；逆变器（4）将低压脉宽调制信号转换为高压脉宽调制信号驱动电机；
第十步：电机控制单元（3）判断是否转速模式：如是转至第四步；如否则退出程序。
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