CN112701973A - 一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法，由永磁轮毂电机、温度测量模块和转速与电角度计算模块构成复合被控对象，将PARK变换模块、CLARK变换模块以及PWM逆变器模块依次串联构成复合逆变器控制模块，由温度给定模块、热量计算模块以及依次串联的热量调控模块、热量PI调节模块和电流变换模块构成智能热量控制模块，由磁链观测模块、坐标变换模块、转矩误差计算模块、参考转矩计算模块、转矩估计模块、目标转矩给定模块、PI调节模块、相位角更新模块以及电流变换模块共同构成复合温控转矩模块，对轮毂电机本身温度测量来反馈调整电机运行状态，复合温控转矩模块与热量控制模块联合调控，实现温度和转矩控制。

Description

一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法

技术领域

本发明涉及用于电动汽车的永磁轮毂电机，具体是其控制器的构造方法，适用于电动汽车永磁轮毂电机系统热量反馈以及转矩波动的复合控制，属于永磁轮毂电机控制技术领域。

背景技术

从传统汽车到纯电动汽车的转型将有效地解决汽车行业所面临的能源以及环境问题，纯电动汽车清洁环保，可以实现零排放。轮毂电机是将电机装于车轮中，具备高传输效率、灵活控制等优点，相对于传统的驱动方式来说，省去了复杂的机械转动，不仅使车辆的重量降低，还增大了车内的使用空间，同时实现了对每个车轮的独立控制，可以使得驱动力分配达到最优，减少了汽车在动力传输过程的损耗，提高了整车在使用过程的效率。轮毂电机既要满足汽车多工况行驶需求，还要受到安装空间和工作环境的限制，因此其一般具有较高的转矩和功率密度，能够承受高温、振动等恶劣的工作条件。另一方面，轮毂电机追求高功率密度，使其在功率不变的情况下，电机体积减小，这虽然使其功率密度得到了提高，但电机单位体积产生热量增加，电机整体温升增大。此外，由于安装空间狭小封闭，空气流通不畅，散热条件很差，热量难以及时散出，对绝缘层以及永磁体的磁性能产生影响，永磁体的改变导致了电机输出转矩的波动，对轮毂电机及车辆的安全运行造成威胁。

中国专利申请号为201910680030.4、名称为“一种电动汽车轮毂电机智能复合控制器”的文献中公开的能量控制器，采用轮毂电机系统输出的各项机械参数作为调控目标，但没有对轮毂电机本身温度参数进行调控，缺少了对电机热量的反馈控制，降低了控制精度。

发明内容

本发明的目的是针对目前轮毂电机存在运行环境过热导致的永磁体退磁问题以及相对应引发的输出转矩脉动的问题，提供一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法，所构造的控制器能够有效改善因温度引起的电机热量升高、转矩波动等问题，从而达到实现对电动汽车永磁轮毂电机高性能控制的目标。

本发明一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤A：由永磁轮毂电机、温度测量模块和转速与电角度计算模块共同构成输入是三相控制电流i_a、i_b、i_c、电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂，输出是电角度θ和转速ω_r的复合被控对象，温度测量模块检测永磁轮毂电机的电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂，转速与电角度计算模块检测并计算出电角度θ和转速ω_r；

步骤B：将PARK变换模块、CLARK变换模块以及PWM逆变器模块依次串联构成输入是为dq坐标系下电流i_d、i_q和电角度θ，输出是三相控制电流i_a、i_b、i_c的复合逆变器控制模块；

步骤C：由温度给定模块、热量计算模块以及依次串联的热量调控模块、热量PI调节模块和电流变换模块构成智能热量控制模块，温度给定模块和热量计算模块分别串接热量调控模块的输入端，智能热量控制模块的输入是电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂，输出是dq坐标系下电流分量i_d1、i_q1；

步骤D：由磁链观测模块、坐标变换模块、转矩误差计算模块、参考转矩计算模块、转矩估计模块、目标转矩给定模块、PI调节模块、相位角更新模块以及电流变换模块共同构成输入为三相控制电流i_a、i_b、i_c、电角度θ和电机绕组温度T₁，输出是dq坐标系下电流分量i_d3、i_q3的复合温控转矩模块；磁链观测模块的输入为电机绕组温度T₁，输出为磁链变化值φ_mt：坐标变换模块的输入为相控制电流i_a、i_b、i_c和电角度θ，输出为dq坐标系下电流i_d0、i_q0；参考转矩计算模块的输入为dq坐标系下电流i_d0、i_q0和磁链变化值φ_mt，输出为参考转矩T_m；转矩误差计算模块的输入为磁链变化值φ_mt和所述的dq坐标系下电流i_q0，输出为误差转矩ΔT：转矩估计模块的输入为误差转矩ΔT和参考转矩T_m，输出为估计转矩

PI调节模块的输入为估计转矩

与目标转矩给定模块给出的目标转矩T^*，输出为新的电流值

相位角更新模块的输入为磁链变化值φ_mt和电流i_d0、i_q0，输出为更新后的相位角β：电流变换模块的输入为更新后的相位角β和新的电流值

输出为dq坐标系下电流分量i_d3、i_q3；

步骤E：转速给定模块给定出参考转速

转速ω_r与参考转速

进行比较得到转速误差ω_error，该转速误差ω_error经调节后得到为dq坐标系下电流分量i_d2、i_q2；

步骤F：求和得到所述的dq坐标系下电流i_d、i_q为

本发明采用上述技术方案后的有效增益是：

1、本发明中的智能热量控制模块能够有效改善轮毂电机运行过热的情况，通过对轮毂电机本身温度的测量来反馈调整电机的运行状态，使电机运行在健康的温度条件下；智能温控转矩模块实现了永磁体磁链的在线观测，保证了电机转矩的实时调整，提高了电机的控制精度。

2、由于轮毂电机的运行条件较为复杂，为此本发明所构造的复合控制器能够实现多模块复合反馈控制，复合温控转矩模块与热量控制模块的联合调控，实现了更好的温度控制以及转矩控制，有效提高了轮毂电机运行的安全性和鲁棒性，使电动汽车永磁轮毂电机系统具备更加良好的动态特性以及更佳的车辆操控性能。

3、本发明中的永磁轮毂电机模块的信号在实际工程中均易于测量，所构造的复合控制器中其他模块的信号只需要利用软件编程即可获得，不需要增加额外的测量硬件设备，降低成本的同时也提高了控制质量。

附图说明

图1是由永磁轮毂电机11、温度测量模块12以及转速和电角度计算模块2构成的复合被控对象1的等效示意图；

图2是复合逆变器控制模块3的构成示意图；

图3是智能热量控制模块4的构成示意图；

图4是智能温控转矩模块5的构成示意图；

图5是电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构成示意图；

图中：1.复合被控对象；2.转速与电角度计算模块；3.复合逆变器控制模块；4.智能热量控制模块；5.智能温控转矩模块；6.转速给定模块；7.PI调节模块；11.永磁轮毂电机；12.温度测量模块；21.机械旋转角速度测量模块；22.电角度计算模块；23.转速计算模块；31.PARK变换模块；32.CLARK变换模块；33.PWM逆变器模块；41.温度给定模块；42.热量计算模块；43.热量调控模块；44.热量PI调节模块；45.电流变换模块；51.磁链观测模块；52.坐标变换模块；53.转矩误差计算模块；54.参考转矩计算模块；55.转矩估计模块；56.目标转矩给定模块；57.PI调节模块；58.相位角更新模块；59.电流变换模块。

具体实施方式

如图1所示，由永磁轮毂电机11、温度测量模块12和转速与电角度计算模块2共同构造复合被控对象1，复合被控对象1的输入是控制永磁轮毂电机11的三相控制电流i_a、i_b、i_c以及电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂，输出是电角度θ以及电机转速ω_r。其中，温度测量模块12检测永磁轮毂电机11的电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂并输出，转速与电角度计算模块2得到永磁轮毂电机11的电角度θ和电机转速ω_r并输出。转速与电角度计算模块2由机械旋转角速度测量模块21、电角度计算模块22和转速计算模块23组成，机械旋转角速度测量模块21测量永磁轮毂电机11的电机角速度ω_m，并将电机角速度ω_m输出至电角度计算模块22和转速计算模块23中，电角度计算模块22和转速计算模块23分别根据以下公式计算出电角度θ以及电机转速ω_r：

式中p_n为电机极对数。

如图2所示，将PARK变换模块31、CLARK变换模块32以及PWM逆变器模块33依次串联构成复合逆变器控制模块3，复合逆变器控制模块3的输入是为dq坐标系下电流i_d、i_q以及所述的电角度θ，输出是永磁轮毂电机11的三相控制电流i_a、i_b、i_c。

其中PARK变换模块31的输入为dq坐标系下电流i_d、i_q以及电角度θ，其输出为αβ坐标系下参考电流

参考电流

输至CLARK变换模块32中，作为CLARK变换模块32的输入信号，CLARK变换模块32的输出信号为自然坐标系下三相参考电流

三相参考电流

输至PWM逆变器模块33中，作为PWM逆变器模块33的输入信号，PWM逆变器模块33输出为三相控制电流i_a、i_b、i_c。

如图3所示，由温度给定模块41、热量计算模块42以及依次串联的热量调控模块43、热量PI调节模块44、电流变换模块45构造成智能热量控制模块4，温度给定模块41和热量计算模块42分别串接热量调控模块43的输入端。智能热量控制模块4的输入是复合被控对象1输出的电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂，输出是dq坐标系下电流分量i_d1、i_q1信号，即将智能热量控制模块4串接在复合被控对象1输出端，复合被控对象1输出的两个温度信号输入到智能热量控制模块4中，智能热量控制模块4对两个温度信号处理得到电流分量i_d1、i_q1进行反馈控制。

电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂作为热量计算模块42的输入，热量计算模块42输出信号为电机运行过程中产生的热量，即运行热量Q_r：

Q_r＝(T₁-T₂)/R_rs (1-2)

R_rs＝1/(h·A) (1-3)

式中R_rs是电机壳体与周围空气的等效热阻，A为电机的外表面传热面积，h为转换系数，一般取值为1～10。

热量计算模块42将运行热量Q_r输至热量调控模块43中。温度给定模块41输出的是电机运行过程中的电机绕组参考温度T₁ ^*和以及电机壳体参考温度T₂ ^*，将给定的电机绕组参考温度T₁ ^*和以及电机壳体参考温度T₂ ^*输至热量调控模块43中。电机绕组参考温度T₁ ^*、电机壳体参考温度T₂ ^*和运行热量Q_r作为热量调控模块43的输入，其输出为热量误差e：

e＝(T₁ ^*-T₂ ^*)/R_rs-Q_r (1-4)

热量调控模块43输出的热量误差e作为热量PI调节模块44的输入，经过PI调节后输出电流

最后电流

经过电流变换模块45的坐标变换后输出dq坐标系下电流分量i_d1、i_q1。其中，电流

的表达式为：

式中k_p、k_i分别是比例系数和积分系数，其值设定为0.5,2.5。

如图4所示，由磁链观测模块51、坐标变换模块52、转矩误差计算模块53、参考转矩计算模块54、转矩估计模块55、目标转矩给定模块56、PI调节模块57、相位角更新模块58以及电流变换模块59共同构成复合温控转矩模块5。复合温控转矩模块5作为电机的一部分电流反馈控制，其输入为所述的三相控制电流i_a、i_b、i_c、电角度θ以及电机绕组温度T₁，输出是dq坐标系下电流分量i_d3、i_q3进行反馈控制。

其中电机绕组温度T₁作为磁链观测模块51的输入，磁链观测模块51的输出为永磁体磁链值随温度变化的磁链变化值φ_mt：

式中φ_m0是永磁体在温度为20℃(即常温)时的磁链值，α_Br是可逆温度系数，永磁体采用汝铁硼材料时一般取-0.1～-0.2。

输入复合被控对象1的三相控制电流i_a、i_b、i_c和复合被控对象1输出的电角度θ作为坐标变换模块52的输入，坐标变换模块52输出dq坐标系下电流i_d0、i_q0，作为后续转矩和相位角的计算。dq坐标系下电流i_d0、i_q0和磁链观测模块51输出的磁链变化值φ_mt作为参考转矩计算模块54的输入，参考转矩计算模块54输出为参考转矩T_m：

式中：I_s为电流值，

L_d、L_q分别是电机dq轴电感，β'为相位角，β'＝tan^-1(-i_d0/i_q0)。

由于永磁体的磁链值受到温度的影响，因此将磁链观测模块51输出的磁链变化值φ_mt信号和坐标变换模块52输出的电流i_q0作为转矩误差计算模块53的输入信号，转矩误差计算模块53输出为误差转矩ΔT：

将误差转矩ΔT和参考转矩计算模块54输出的参考转矩T_m作为转矩估计模块55的输入信号，参考转矩计算模块54将输入信号求和以后得到转矩估计模块55的输出信号为估计转矩

将估计转矩

与目标转矩给定模块56给出的目标转矩T^*作为PI调节模块57的输入，经PI调节模块57的PI调节后得到新的电流值

式中K_p、K_i分别为比例系数、积分系数，其值为0.5和0.01，目标转矩T^*依据轮毂电机实际运行中所需转矩作为参考，一般把转矩设定为150Nm。

另外，电流的相位角也因为磁链值的改变而更新，将磁链观测模块51输出的磁链变化值φ_mt和坐标变换模块52输出的电流i_d0、i_q0作为相位角更新模块58的输入，相位角更新模块58的输出为更新后的相位角β：

将更新后的相位角β和新的电流值

作为电流变换模块59的输入，经过电流变换模块59变换以后输出dq坐标系下电流分量i_d3、i_q3。

如图5所示，转速给定模块6给定出参考转速

复合被控对象1输出的电机转速ω_r与转速给定模块6输出的参考转速

进行比较，得到转速误差ω_error，该转速误差ω_error信号作为PI调节模块7的输入信号，经PI调节模块7调节后得到为dq坐标系下电流分量i_d2、i_q2。

将智能热量控制模块4输出的dq坐标系下电流分量i_d1、i_q1，、PI调节模块7输出的dq坐标系下电流分量i_d2、i_q2以及复合温控转矩模块5输出的dq坐标系下电流分量i_d3、i_q3分别进行求和计算，得到输入复合逆变器控制模块3的电流i_d、i_q，计算式为：

由复合逆变器控制模块3、智能热量控制模块4、复合温控转矩模块5、转速给定模块6、PI调节模块7共同构成电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器，对包含了永磁轮毂电机11的复合被控对象1进行控制。

经本发明构造方法构造的电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器工作时，智能热量控制模块4和复合温控转矩模块5联合作用，有效提高以复合被控对象1的控制精度；其中电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂作为智能热量控制模块4的输入。电机绕组温度T₁作为智能温控转矩模块5的其中一个输入，智能热量控制模块4通过对获取到的电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂进行热量计算与PI模块调节，得到可以参与电机反馈控制的电流信号i_d1、i_q1，实现了对电机热量的精准控制，保证电机的安全运行；而复合温控转矩模块5中的磁链观测模块51依据温度变化输出永磁体的实时的磁链变化值φ_mt，同时改善转矩输出，最终通过PI模块调节输出反馈电流信i_d3、i_q3，从而减小了电机的转矩波动，保证了电机转矩输出的稳定性。

综上所述，本发明能够实现对电动汽车轮毂电机系统的高性能控制。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法，其特征是包括以下步骤：

步骤A：由永磁轮毂电机(11)、温度测量模块(12)和转速与电角度计算模块(2)共同构成输入是三相控制电流i_a、i_b、i_c、电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂，输出是电角度θ和转速ω_r的复合被控对象(1)，温度测量模块(12)检测永磁轮毂电机(11)的电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂，转速与电角度计算模块(2)检测并计算出电角度θ和转速ω_r；

步骤B：将PARK变换模块(31)、CLARK变换模块(32)以及PWM逆变器模块(33)依次串联构成输入是为dq坐标系下电流i_d、i_q和电角度θ，输出是所述的三相控制电流i_a、i_b、i_c的复合逆变器控制模块(3)；

步骤C：由温度给定模块(41)、热量计算模块(42)以及依次串联的热量调控模块(43)、热量PI调节模块(44)和电流变换模块(45)构成智能热量控制模块(4)，温度给定模块(41)和热量计算模块(42)分别串接热量调控模块(43)的输入端，智能热量控制模块(4)的输入是电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂，输出是dq坐标系下电流分量i_d1、i_q1；

步骤D：由磁链观测模块(51)、坐标变换模块(52)、转矩误差计算模块(53)、参考转矩计算模块(54)、转矩估计模块(55)、目标转矩给定模块(56)、PI调节模块(57)、相位角更新模块(58)以及电流变换模块(59)共同构成输入为三相控制电流i_a、i_b、i_c、电角度θ和电机绕组温度T₁，输出是dq坐标系下电流分量i_d3、i_q3的复合温控转矩模块(5)；磁链观测模块(51)的输入为电机绕组温度T₁，输出为磁链变化值φ_mt：坐标变换模块(52)的输入为相控制电流i_a、i_b、i_c和电角度θ，输出为dq坐标系下电流i_d0、i_q0；参考转矩计算模块(54)的输入为dq坐标系下电流i_d0、i_q0和磁链变化值φ_mt，输出为参考转矩T_m；转矩误差计算模块(53)的输入为磁链变化值φ_mt和所述的dq坐标系下电流i_q0，输出为误差转矩ΔT：转矩估计模块(55)的输入为误差转矩ΔT和参考转矩T_m，输出为估计转矩

PI调节模块(57)的输入为估计转矩

与目标转矩给定模块(56)给出的目标转矩T^*，输出为新的电流值

相位角更新模块(58)的输入为磁链变化值φ_mt和电流i_d0、i_q0，输出为更新后的相位角β：电流变换模块(59)的输入为更新后的相位角β和新的电流值

输出为dq坐标系下电流分量i_d3、i_q3；

步骤E：转速给定模块(6)给定出参考转速

转速ω_r与参考转速

进行比较得到转速误差ω_error，该转速误差ω_error信号经调节后得到为dq坐标系下电流分量i_d2、i_q2；

步骤F：求和得到所述的dq坐标系下电流i_d、i_q为

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法，其特征是：步骤A中，由机械旋转角速度测量模块(21)、电角度计算模块(22)和转速计算模块(23)组成转速与电角度计算模块(2)，机械旋转角速度测量模块(21)测量永磁轮毂电机(11)的电机角速度ω_m并输出至电角度计算模块(22)和转速计算模块(23)，电角度计算模块(22)和转速计算模块(23)分别根据式

计算出电角度θ以及电机转速ω_r，p_n为电机极对数。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法，其特征是：步骤B中，PARK变换模块(31)的输入为dq坐标系下电流i_d、i_q以及电角度θ，输出为αβ坐标系下参考电流

参考电流

输至CLARK变换模块(32)，CLARK变换模块(32)的输出为三相参考电流

三相参考电流

输至PWM逆变器模块(33)中，PWM逆变器模块(33)输出为三相控制电流i_a、i_b、i_c。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法，其特征是：步骤C中，热量计算模块(42)的输入为电机绕组温度T₁和电机壳体温度T₂，输出为运行热量Q_r＝(T₁-T₂)/R_rs，电机壳体与周围空气的等效热阻R_rs＝1/(h·A)，A为电机的外表面传热面积，h为转换系数，取值为1～10；温度给定模块(41)输出的是电机绕组参考温度T₁ ^*和以及电机壳体参考温度

热量调控模块(43)的输入为电机绕组参考温度T₁ ^*、电机壳体参考温度

和运行热量Q_r，输出为

热量PI调节模块(44)的输入为热量误差e，输出为电流

k_p、k_i分别是比例系数和积分系数；电流变换模块(45)的输入为电流

输出为dq坐标系下电流分量i_d1、i_q1。

5.根据权利要求1所述的一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法，其特征是：步骤D中，所述的磁链变化值

φ_m0是永磁体在温度为20℃时的磁链值，α_Br是可逆温度系数；所述的参考转矩

L_d、L_q分别是电机dq轴电感，相位角β'＝tan^-1(-i_d0/i_q0)；所述的参考转矩误差转矩

所述的估计转矩

6.根据权利要求5所述的一种电动汽车永磁轮毂电机能量复合控制器的构造方法，其特征是：所述的新的电流值

K_p、K_i分别为比例系数、积分系数；所述的更新后的相位角

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