CN110677090A - 消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，包括以下步骤：步骤S1，采集转矩信号；步骤S2，提取转矩谐波；步骤S3，整定电流频率和相位：根据转矩谐波中的频率和相位特征，精确计算得到补偿电流的频率和相位；步骤S4，整定电流幅值：以转矩中特定频率的谐波幅值为控制对象，采用二次曲线拟合的电流幅值自适应迭代法，以跟踪真实的转矩‑电流曲线，对电流幅值进行微调，使目标谐波转矩幅值趋向于0；步骤S5，输出补偿电流。本发明基于单相补偿绕组结构以及电机电磁原理的频率/相位直接求解方法，具有计算量小、精度高的优点，基于二次曲线拟合算法的电流幅值整定方法具有收敛快速以及对电机未知参数不敏感的鲁棒性优势。

Description

消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法

技术领域

本发明涉及轮毂电机驱动的电动汽车技术领域，尤其是轮毂电机驱动控制领域。

背景技术

采用分布式轮毂电机驱动是轻型电动汽车未来的发展方向。电动汽车的轮毂电机属于外转子永磁同步电机，其结构简单，操控灵活，但行驶中动态载荷(车身颠簸等)直接施加在车辆车轮和电机上，引起较明显的电机转矩波动，影响行驶舒适性和安全性。

目前，已公布的“控制电动汽车外转子轮毂电机转矩脉动”方面的专利成果较少，而针对常规内转子永磁同步电机的转矩脉动控制，现有技术方案分为两类：第一类为电机本体结构优化，如定/转子斜槽或者斜极、磁极形状优化、分数槽结构、极弧系数组合优化等(如CN201910334884.7，CN201810301554.3)，这类方法适用于在设计阶段对电机物理结构进行改造，以削弱特定的静态转矩谐波，一旦设计定型后结构不再改变，无法削弱其它动态转矩谐波(如制造过程引起的偏心、外力冲击下的形变偏心、不对称定子电流等)。第二类为采用电机控制策略抑制转矩脉动，即通过控制施加在定子绕组上的电压或电流波形来抑制转矩脉动。如专利CN201110054889.8公开一种基于直接转矩控制的永磁电机转矩脉动抑制方法，其针对电机本体结构中存在的定位谐波力矩，在给定电磁转矩基础之上直接注入附加谐波电流，使得附加谐波转矩与定位力矩中的基波分量及高次谐波分量幅值相等、相位相反，相互抵消，实现抑制转矩脉动。专利CN201910127436.X公开一种永磁发电机的转矩脉动抑制方法和系统，其以转矩脉动为控制目标，通过电流闭环自动调整注入电流谐波给定量，并叠加至控制器的电流环以实现补偿后的电流跟踪，从而抑制电机转矩脉动。另外，已公布并授权的CN201511006191.3一种轮毂电机驱动的电动汽车轮毂侧电磁减震控制方法，CN201710815905.8一种电动汽车消除轮毂电机电磁扭矩脉动的方法，也属于采用电机控制策略抑制转矩脉动的方案。

进一步，第二类方案中的电压或电流补偿注入方式也可分为主绕组注入或附加绕组注入两类。其中主绕组电流注入方案无需改造电机绕组结构，但由于需要从主电流信号中滤波并提取谐波电流信号，存在信噪耦合问题，其信号处理过程易受运行工况的影响，抗干扰能力有限。而附加绕组电流注入方案需要在电机定子中添加额外的控制绕组，其电流提取和控制的过程相对于主绕组是独立的，控制算法简单鲁棒性强，转矩抑制效果更好。

如上所述，第一类为基于电机本体结构优化的转矩脉动抑制方案，适用于在电机设计阶段削弱特定的静态转矩谐波，一旦设计定型后电机结构不能改变，无法削弱动态转矩谐波，灵活性不强，且对电机加工工艺要求高，增加了制造成本。第二类基于控制策略的转矩脉动抑制方案，灵活性强，不增加电机设计与制造成本，但控制过程较为复杂，对控制器性能要求较高，且对电机运行效率有一定影响。总体而言，第二类方法优于第一类方法。

但是，CN201511006191.3一种轮毂电机驱动的电动汽车轮毂侧电磁减震控制方法中采用的电流整定方法存在如下缺陷：将转矩谐波测量值通过FFT频谱特征提取，得到的幅值与期望值0进行差分运算，并通过一个具有负反馈特性的PI调节器，输出补偿绕组所需的补偿电流期望值。该方法未考虑到FFT幅频变换的对偶性，即谐波转矩在过补偿情况下仍表征出与欠补偿情况下相同的幅频特征，从而使PI调节器工作于正反馈状态(即补偿电流幅值越大，负向谐波转矩的绝对幅值越大，调节器输出的电流更大)，最终无法实现稳定收敛于0期望值的效果。因此，前述专利的整定方法仅适用于在转矩欠补偿条件下的缓慢调节控制过程，无法实现过补偿后的收敛控制，系统鲁棒性局限较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，控制绕组中注入整定的电流，且优化控制电流的频率、相位和幅值的整定过程，实现了电流频率/相位的瞬时整定，以及具有欠/过调制双向收敛特性的电流幅值整定机制，可以快速消除轮毂电机的电磁扭矩脉动现象，并具有良好的控制鲁棒性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，通过轮毂电机谐波转矩补偿系统进行控制，轮毂电机谐波转矩补偿系统包括控制绕组、测速编码器、扭矩传感器、信号采集电路、核心控制单元和驱动电路，其中，轮毂电机为具有内定子的外转子永磁同步电机，控制绕组设置于内定子上，驱动电路具有驱动桥臂，驱动桥臂与控制绕组串联，测速编码器或扭矩传感器与轮毂电机外转子联轴，信号采集电路与测速编码器相连，驱动电路与核心控制单元相连，其特征在于，所述控制绕组补偿电流快速整定方法包括以下步骤：

步骤S1，采集转矩信号：由测速编码器测得电机瞬时转速，核心控制单元计算得到轮毂电机的输出电磁转矩，或者，通过扭矩传感器直接测得输出转矩，核心控制单元接收转矩信号；

步骤S2，提取转矩谐波：使用FFT快速傅里叶变换法对电机转矩进行分析，按频率抽取转矩中的谐波成分，并标定其频率、幅值和相位；

步骤S3，整定电流频率和相位：基于电机电磁原理与控制绕组结构，根据转矩谐波中的频率和相位特征，精确计算得到补偿电流的频率和相位；

步骤S4，整定电流幅值：以转矩中特定频率的谐波幅值为控制对象，采用二次曲线拟合的电流幅值自适应迭代法，以跟踪真实的转矩-电流曲线，并实现快速削弱转矩幅值的效果，削弱后持续跟踪目标转矩，对电流幅值进行微调，使目标谐波转矩幅值趋向于0；

步骤S5，输出补偿电流：核心控制单元根据整定获得的补偿电流频率、相位和幅值，由电流闭环以补偿电流期望值作为输入量，以信号采集电路采集的控制绕组的实时电流为闭环控制信号，输出PWM驱动信号给驱动桥臂，对控制绕组的补偿电流进行闭环控制。

本发明的有益效果为：

本发明与对应的控制绕组及独立电源相配合，首先分析电机电磁转矩的频谱特征，然后根据转矩谐波的幅频特性，快速整定补偿电流，使产生的补偿转矩与原有高次谐波分量幅值相等、相位相反，相互抵消，实现抑制转矩脉动的效果。

其中基于单相补偿绕组结构以及电机电磁原理的频率/相位直接求解方法，具有计算量小、精度高的优点，基于二次曲线拟合算法的电流幅值整定方法具有收敛快速以及对电机未知参数不敏感的鲁棒性优势。

此外，该方法可同时求解并跟踪多个不同频率的控制电流，给出具有多种频率下最优相位和幅值的电流闭环控制信号，实现对多个频率谐波转矩的同步快速补偿，相较于现有的逐次补偿方案，具有显著的速度优势和效果优势。

本发明的具体技术效果将在具体实施方式中予以进一步说明。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步描述：

图1为转矩补偿系统电气图；

图2为转矩补偿系统信号流程图；

图3为转矩补偿系统工作步骤流程图；

图4为电流幅值整定步骤流程图；

图5为电流幅值曲线拟合过程原理图；

图6为安装有补偿绕组的轮毂电机剖面图；

附图标记：

1-车载电源，1a-蓄电池组，1b-电源变换器；

2-电机控制器，2a-信号采集电路，2b-核心控制单元，2c-驱动电路，

3-轮毂电机，31-轮毂电机外转子，31a-永磁体，32-气隙，33-轮毂电机内定子，34-轴承，35-电机轴；

4-补偿绕组；

5-测速编码器/矩传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，电动汽车上安装有车载电源1，可以为轮毂电机供电，车载电源1包括蓄电池组1a和电源变换器1b。

如图6所示，安装有补偿绕组的轮毂电机3包括外转子31、内定子33、轴承34、电机轴35和端盖36，内定子33设在外转子31的内周，端盖36与外转子31固定连接，内定子33与电机轴35固定连接，端盖36上设有轴承34，电机轴35与轴承34配合连接，外转子31的内周面上设有永磁体31a，轮毂电机3为具有内定子的外转子永磁同步电机，外转子31的内周面与内定子33的外周面之间具有气隙32，当车体重量的垂向载荷施加到轴承上时，轴承34的形变会引起轮毂电机3的内定子33和外转子31偏心，使垂直方向上的气隙磁场发生畸变。

为补偿气隙磁场畸变引发的电磁转矩脉动，本实施例采用附加绕组电流注入方案，在电机定子中添加额外的控制绕组4。所述补偿绕组4两组相互并联且匝数相同的单相线圈，所述内定子包括定子铁芯，所述定子铁芯在垂直方向上设有两组定子槽，每组定子槽中嵌套一组单相线圈，两组单相线圈同向设置。由于两组单相线圈设在定子铁芯的垂直方向上，两组单相线圈通电后就可以产生与谐波电磁转矩幅值相等、相位相反的补偿转矩，实现转矩脉动的补偿。

为了实现控制绕组补偿电流快速整定，采用轮毂电机谐波转矩补偿系统进行，参考图1和图2所示，该轮毂电机谐波转矩补偿系统包括测速编码器/扭矩传感器5、信号采集电路2a、核心控制单元2b、驱动电路2c，其中，驱动电路具有驱动桥臂，驱动桥臂与控制绕组串联，测速编码器或扭矩传感器与轮毂电机外转子联轴，信号采集电路与测速编码器相连，驱动电路与核心控制单元相连。

为了提高电路集成度，缩小电路体积，信号采集电路2a、核心控制单元2b和驱动电路2c优选集成为一体形成电机控制器2，蓄电池组1a通过直流母线连接驱动电路2输出高压直流电，电源变换器1b从驱动电路2的直流母线获取高压直流电压再降压为低压直流电，电源变换器1b的输出端连接信号采集电路2a、核心控制单元2b和驱动电路2c，根据信号采集电路2a、核心控制单元2b和驱动电路2c的额定电压要求，电源变换器1b采用DC-DC电源变换器的降压装置将高压直流电转换为15V和5V的低压直流电对信号采集电路2a、核心控制单元2b和驱动电路2c进行供电。

为了进一步提高电路集成效率，轮毂电机3的转速和扭矩也通过电机控制器2进行控制，驱动电路2c具有三相桥臂，轮毂电机3具有三相进线端，三相桥臂对应连接轮毂电机3的三相进线端，核心控制单元2b连接三相桥臂输出三路PWM驱动信号控制轮毂电机3的转速和扭矩，电流传感器也连接轮毂电机3的三相进线端采集电流信号。

为了精确控制补偿绕组4的补偿电流的强度，驱动电路2c为PWM功率驱动模块并且其具有驱动桥臂，驱动桥臂与补偿绕组4电连接，为了提高驱动桥臂的开关响应速度，驱动桥臂优选采用IGBT或MOSFET作为开关器件，信号采集电路2a和驱动电路2c分别与核心控制单元2b相连，核心控制单元2b采用单片机或DSP芯片构成的微处理器，信号采集电路2a采集轮毂电机3的电流以及补偿绕组4的电流并将采集信号发送至核心控制单元2b，信号采集电路2a包括采集轮毂电机3电流和补偿绕组4电流的电流传感器以及调理电路，调理电路将电流传感器的信号经过调理后输出至核心控制单元2b，核心控制单元2b根据接收到电流采集信号向驱动桥臂输出PWM驱动信号闭环控制补偿绕组4的电流大小，驱动桥臂上具有功率元件，该功率元件通过PWM驱动信号控制输出的电流大小，通过控制补偿绕组4的电流大小控制补偿绕组4激发的补偿转矩的大小，从而减小转矩脉动，改善电动车辆的垂向特性，提高了车辆行驶的平顺性。

参考图3所示，消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，通过轮毂电机谐波转矩补偿系统进行控制，包括以下步骤：

步骤S1，采集转矩信号：由测速编码器测得电机瞬时转速，核心控制单元计算得到轮毂电机的输出电磁转矩，或者，通过扭矩传感器直接测得输出转矩，核心控制单元接收转矩信号；

步骤S2，提取转矩谐波：使用FFT快速傅里叶变换法对电机转矩进行分析，按频率抽取转矩中的谐波成分，并标定其频率、幅值和相位；

步骤S3，整定电流频率和相位：基于电机电磁原理与控制绕组结构，根据转矩谐波中的频率和相位特征，精确计算得到补偿电流的频率和相位；

步骤S4，整定电流幅值：以转矩中特定频率的谐波幅值为控制对象，采用二次曲线拟合的电流幅值自适应迭代法，以跟踪真实的转矩-电流曲线，并实现快速削弱转矩幅值的效果，削弱后持续跟踪目标转矩，对电流幅值进行微调，使目标谐波转矩幅值趋向于0；

步骤S5，输出补偿电流：核心控制单元根据整定获得的补偿电流频率、相位和幅值，由电流闭环以补偿电流期望值作为输入量，以信号采集电路采集的控制绕组的实时电流为闭环控制信号，输出PWM驱动信号给驱动桥臂，对控制绕组的补偿电流进行闭环控制。

进一步的，所述步骤S1中核心控制单元计算得到轮毂电机电磁转矩的计算公式为：

其中ω为电机机械转速，J为转动惯量，B为摩擦系数，T_L为负载扭矩。

进一步的，所述步骤S2中快速傅里叶变换后，仅对除0阶有效电磁转矩之外的、且阶次低于10次的转矩谐波的频率、幅值和相位特征进行标定，如幅值较为显著的二次和六次谐波。

进一步的，所述步骤S3中控制绕组补偿电流特征参数的计算公式为：

其中n，A_n，θ_n为所述步骤S2中快速傅里叶变换获得的n阶谐波的阶次、幅值和相位，k，A_k，θ_k为补偿电流的阶次、幅值和相位，则电流随时间t的变化规律可表示为

I＝I_k cos(kpωt+θ_k) (3)

其中p为电机极对数。

实际运行工况下，式(2)中磁链参数ψ_f随电机磁场饱和程度的变化而不断变化，直接采用式(2)计算补偿电流的幅值存在较大误差，故采用迭代法搜索最佳电流幅值，进一步的，参考图4和图5所示，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：初始电流注入，所述的电机控制器向所述的控制绕组注入三次测试电流，其注入规律表示为：

I_P+1＝I_P+λ₁ΔI (4)

其中I为补偿电流的幅值，P为测试次数，λ₁为步长系数，其值优选为1，ΔI为相邻两次测试电流的变化步长，其幅值优选为：

其中I_s为电机基频额定电流，A₀，A_n分别为转矩直流量及n次转矩谐波的幅值。三次测试电流幅值按从小到大顺序排列，记为I_P1，I_P2，I_P3；

三次电流幅值按从小到大顺序排列，记为I_P1，I_P2，I_P3；

S42：求解谐波转矩梯度，重复S1-S2步骤，使用FFT傅里叶变换获得三次测试电流注入后的剩余谐波转矩幅值，记为A_P1，A_P2，A_P3，根据相邻两点间的梯度公式：

判断是否满足条件▽₁▽₂＜0；若不满足则返回S41，按式(4)继续迭代下一次测试电流，若满足所述条件则进入步骤S43；

S43：二次曲线拟合，将最近三次测试电流重新记为I_P1，I_P2，I_P3，采用二次方程拟合转矩与电流的关系，表示为：

求解拟合曲线的系数a，b，c，并获得该二次曲线的极值坐标点，表示为：

S44：判断收敛条件，将S43步骤中计算得到的电流幅值I_P4注入控制绕组，重复S1-S2步骤获得转矩谐波幅值A_P4，判断是否满足迭代收敛条件I_P4-I_P2＜ε；若不满足则返回步骤S43再次迭代，若满足则进入步骤S45；

S45：电流微调，以I_P4为迭代初值，对补偿电流幅值进行微调，关系式表示为：

I_P+1＝I_P+λ₂ΔI (9)

其中λ₂为微调步长系数且满足λ₂＝λ₁，然后将式(9)中计算得到的电流幅值I_P5注入控制绕组，重复S1-S2步骤获得转矩谐波幅值A_P5，判断是否满足条件A_P5＜A_P4；若不满足则令λ₂＝-λ₂，返回步骤S45重新迭代；若满足则保持λ₂不变，返回步骤S45重新迭代。

以上就本发明较佳的实施例做了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (6)

1.消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，通过轮毂电机谐波转矩补偿系统进行控制，轮毂电机谐波转矩补偿系统包括控制绕组、测速编码器、扭矩传感器、信号采集电路、核心控制单元和驱动电路，其中，轮毂电机为具有内定子的外转子永磁同步电机，控制绕组设置于内定子上，驱动电路具有驱动桥臂，驱动桥臂与控制绕组串联，测速编码器或扭矩传感器与轮毂电机外转子联轴，信号采集电路与测速编码器相连，驱动电路与核心控制单元相连，其特征在于，所述控制绕组补偿电流快速整定方法包括以下步骤：

步骤S1，采集转矩信号：由测速编码器测得电机瞬时转速，核心控制单元计算得到轮毂电机的输出电磁转矩，或者，通过扭矩传感器直接测得输出转矩，核心控制单元接收转矩信号；

步骤S2，提取转矩谐波：使用FFT快速傅里叶变换法对电机转矩进行分析，按频率抽取转矩中的谐波成分，并标定其频率、幅值和相位；

步骤S3，整定电流频率和相位：基于电机电磁原理与控制绕组结构，根据转矩谐波中的频率和相位特征，精确计算得到补偿电流的频率和相位；

步骤S4，整定电流幅值：以转矩中特定频率的谐波幅值为控制对象，采用二次曲线拟合的电流幅值自适应迭代法，以跟踪真实的转矩-电流曲线，并实现快速削弱转矩幅值的效果，削弱后持续跟踪目标转矩，对电流幅值进行微调，使目标谐波转矩幅值趋向于0；

步骤S5，输出补偿电流：核心控制单元根据整定获得的补偿电流频率、相位和幅值，由电流闭环以补偿电流期望值作为输入量，以信号采集电路采集的控制绕组的实时电流为闭环控制信号，输出PWM驱动信号给驱动桥臂，对控制绕组的补偿电流进行闭环控制。

2.根据权利要求1所述的消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，其特征在于，所述步骤S1中核心控制单元计算得到轮毂电机输出电磁转矩的计算公式为：

其中，ω为电机机械转速，J为转动惯量，B为摩擦系数，T_L为负载扭矩。

3.根据权利要求1所述的消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，其特征在于，所述步骤S2中快速傅里叶变换后，仅对除0阶有效电磁转矩之外的，且阶次低于10次的转矩谐波的频率、幅值和相位特征进行标定。

4.根据权利要求1所述的消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，其特征在于，所述步骤S3中控制绕组补偿电流特征参数的计算公式为：

其中n，A_n，θ_n为所述步骤S2中快速傅里叶变换获得的n阶谐波的阶次、幅值和相位，k，A_k，θ_k为补偿电流的阶次、幅值和相位，则电流随时间t的变化规律可表示为

I＝I_kcos(kpωt+θ_k) (3)

其中p为电机极对数。

5.根据权利要求1所述的消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：初始电流注入，所述的核心控制单元与驱动电路向所述的控制绕组注入三次测试电流，其注入规律表示为：

I_P+1＝I_P+λ₁ΔI (4)

其中，I为补偿电流的幅值，P为测试次数，λ1为步长系数，其值为1，ΔI为相邻两次测试电流的变化步长，

其中，I_s为电机基频额定电流，A₀，A_n分别为转矩直流量及n次转矩谐波的幅值；三次电流幅值按从小到大顺序排列，记为I_P1，I_P2，I_P3；

S42：求解谐波转矩梯度，重复S1-S2步骤，使用FFT傅里叶变换获得三次测试电流注入后的剩余谐波转矩幅值，记为A_P1，A_P2，A_P3，根据相邻两点间的梯度公式：

判断是否满足条件

若不满足则返回S41，按式(4)继续迭代下一次测试电流，若满足所述条件则进入步骤S43；

S43：二次曲线拟合，将最近三次测试电流重新记为I_P1，I_P2，I_P3，采用二次方程拟合转矩与电流的关系，表示为：

求解拟合曲线的系数a，b，c，并获得该二次曲线的极值坐标点，表示为：

S44：判断收敛条件，将S43步骤中计算得到的电流幅值I_P4注入控制绕组，重复S1-S2步骤获得转矩谐波幅值A_P4，判断是否满足迭代收敛条件I_P4-I_P2＜ε；若不满足则返回步骤S43再次迭代，若满足则进入步骤S45；

S45：电流微调，以I_P4为迭代初值，对补偿电流幅值进行微调，关系式表示为：

I_P+1＝I_P+λ₂ΔI (7)

其中，λ₂为微调步长系数且满足λ₂＝λ₁，然后将式(7)中计算得到的电流幅值I_P5注入控制绕组，重复S1-S2步骤获得转矩谐波幅值A_P5，判断是否满足条件A_P5＜A_P4；

若不满足则令λ₂＝-λ₂，返回步骤S45重新迭代；若满足则保持λ₂不变，返回步骤S45重新迭代。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的消除轮毂电机转矩脉动的控制绕组补偿电流快速整定方法，其特征在于，所述补偿绕组为两组相互并联且匝数相同的单相线圈，所述内定子包括定子铁芯，所述定子铁芯在垂直方向上设有两组定子槽，每组定子槽中嵌套一组单相线圈，两组单相线圈同向设置。

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