CN113872496A - 一种用汽车电驱动系统的电机控制方法、系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车电驱动系统的电机控制方法、系统及车辆，首先进行转子温度的估算，再通过建立补偿系数单元，获得电机的补偿系数，使用补偿系数在进行电流表查表运算之前，对查表用的转速进行线性补偿，以补偿后的转速作为输入，参与基准电流表的运算，得到当前温度下最优的直轴电流和交轴电流指令值，本发明可以节省不同转子温度下电流表的制作开发，确保电机系统既能够保证逆变器的电压输出能力用满，也能够保证将电机磁场能力发挥最大化，同时也可以保证输出转矩的精确性。

Description

一种用汽车电驱动系统的电机控制方法、系统及车辆

技术领域

本发明属于汽车的电驱动系统控制技术领域，具体涉及考虑转子温度变化的电机控制技术。

背景技术

电动汽车因为其快速响应、易于操作、行驶过程中不排放废气等优点，越来越受到人们的关注和青睐。作为电动汽车的动力输出装置，电驱动系统的设计和应用也备受各公司和高校的研究人员重视。由于电动汽车使用环境的多样性、复杂的路况、不同驾乘操作体验的需要，对电驱动系统的控制器的要求就尤其高。

针对现如今使用广泛的永磁同步电机来说，虽然对永磁材料的研究和应用都越来越成熟，可以做到在电机的设计过程中保证电机的性能指标和可靠性，但是在温度变化的过程中，电机各部分材料的特性都会发生变化，从而影响电机的电磁参数，引起电机性能指标的变化。相关控制技术中，多是综合考虑电机参数的影响，使用自适应的弱磁控制方法，使电机运行在可控的状态，其缺点在于无法实现转矩的精确控制和快速响应。

专利文献CN201810819412.6公开了一种永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法，其通过在三个工作温度：最低温度、常温和最高温度的环境温度下对电机进行标定，绘制出三个工作温度下的二维电流表，相当于在查表函数的输入变量中增加一维对转子温度进行查表，在原有转矩控制电流表的标定和内存存储空间的基础上会增加三倍时间成本和单片机空间成本。这种方法不适用于严格控制开发周期和开发成本的项目，这对于追求性价比的开发项目来说是不太能接受的。如果想要完全解决上述问题，还需要从优化算法的层面上，减少开发周期和单片机的负载率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用汽车电驱动系统的电机控制方法、系统及车辆，重点关注温度对电机转子中永磁体的性能影响，通过补偿方法使电机系统实时运行在可控范围内，增加系统的鲁棒性，同时保证输出转矩达到输入指令的要求。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种汽车电驱动系统的电机控制方法，其包括如下步骤：

步骤1，电机转子温度估算：通过等效热阻方法获得转子温度。

步骤2，建立补偿系数单元的第一预设查表表格：以估算的转子温度作为补偿系数单元的输入，通过离线标定方法或有限元仿真方法，获得电机的补偿系数。

步骤3，使用补偿系数在进行电流表查表运算之前，对查表用的转速进行线性补偿，以补偿后的转速作为输入，参与基准电流表的运算，得到当前温度下最优的直轴电流和交轴电流指令值，输出进行电机控制。

进一步，所述步骤1的电机转子温度估算具体是：根据电机定子温度的检测单元检测的定子温度的温升变化计算出产生的热量，和根据环境热量估算单元获得冷却带走的热量，两者之差即是和电机转子侧交互的热量，再利用逆变器三相电流检测单元检测到的功率变化和电机定子温度检测单元检测到的定子绕组上的温度变化，估计出热量流向，得到电机转子侧温度的升高和降低量。

本发明进一步提出一种汽车电驱动系统的电机控制系统，其包括转子温度估算模块、第一预设查表表格建立模块、补偿运算模块。

所述转子温度估算模块用于通过等效热阻方法获得转子温度。本发明使用的转子温度估算模块包括：电机定子温度的检测单元，逆变器三相电流的检测单元，定子绕组侧热量估算单元，冷却环境热量估算单元，电机运行工况判定单元。

所述电机定子温度的检测单元检测电机定子侧温度，温升变化用于定子绕组侧热量估算单元，估算定子侧产生的热量；

所述逆变器三相电流的检测单元用于检测电机定子侧三相电流，三相电流用于计算定子侧消耗的功率，与定子温度的检测单元一并作为转子温度升高或者降低的预测判断；

所述定子绕组侧热量估算单元采用检测的电机定子侧温度变化量，再结合电机定子部分的热容量和质量，估算定子绕组侧产生的热量；

所述冷却环境热量估算单元根据检测的电机定子侧温度变化量，通过标定的方法获得电机定子侧温度变化量和冷却带走热量的关系，估算出冷却部分热量；

所述电机运行工况判定单元根据常规检测的转速和转矩信号，对电机的热量流向进行判断，结合逆变器三相电流检测单元计算出的功率变化，从而判定出转子温度的变化是升高或者降低。

所述第一预设查表表格建立模块用于建立补偿系数单元的第一预设查表表格，以估算的转子温度作为补偿系数单元的输入，通过离线标定方法或有限元仿真方法，获得电机的补偿系数。

所述补偿运算模块用于使用补偿系数在进行电流表查表运算之前，对电流查表表格用的转速进行线性补偿，以补偿后的转速作为输入，参与电流查表表格的运算，得到当前温度下最优的直轴电流和交轴电流指令值，输出进行电机控制。

提出本发明的以上技术方案，申请人是基于以下分析：

钕铁硼材料是现如今使用最频繁的永磁材料，其可逆温度系数较高，随着温度的升高，其磁性能损失严重。

一方面因为公式：

温度升高，ψ_f减小，u_q减小。在运行工况和工作电压不变的情况下，同样大小的直轴电流i_d、交轴电流i_q输入指令，由于不同大小的电机参数ψ_f，会导致实际控制电机的逆变器输出电压存在非预期的差异，而造成效率的损失或者失控状态。

本发明就通过有效的补偿参数，优化控制使逆变器输出电压保持基本一致，从而有效地利用逆变器的最大电压输出能力，确保逆变器在可控范围内运行；同时控制的电机磁场也运行在较优设计区，充分利用电机磁性元件能力，以相对较小的工作电流在低速恒转矩区和高速弱磁区都可以实现较优的功率输出，可以大大提高。

另一方面应为公式：

T_e＝1.5n_p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]

由于电机本身材料的特性，当温度升高，ψ_f减小，T_e减小。在运行工况和工作电压不变的情况下，同样大小的直轴电流i_d、交轴电流i_q输入指令，由于不同大小的电机参数ψ_f，会导致实际输出的电机转矩存在非预期的偏差，而造成性能的不一致。

本发明可以通过有效的补偿参数，避免因为电机参数变化造成的转矩偏差，保证了对转矩目标控制的精准性。

本发明进一步还提供一种车辆，所述车辆配置有以上所述的电驱动系统的电机控制系统。

本发明的优点如下：

本发明方法区别于传统的使用固定电流查表和自动弱磁控制补偿电流后再对目标电流进行相位、幅值再分配的方式，也区别于考虑转子温度后使用多张电流表进行插值拟合查表电流控制的方式，本发明以逆变器的最优输出电压和电机的最优运行磁场、最优效率为目标，设计的控制方法加强了对影响转子磁链参数的转子温度的监控与对目标电流的补偿修正控制，在不增加硬件成本的前提下，使用最节省开发时间和单片机资源的方式，实现逆变器和电机效率最优的鲁棒控制。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明一实施例的流程示意图；

图3是本发明又一实施例的流程示意图；

图4是本发明的补偿系数单元的一种曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰和易懂，以下内容结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处描述实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明提出的汽车电驱动系统的电机控制方法的原理是：首先进行转子温度的估算，再通过建立补偿系数单元的第一预设查表表格，获得电机的补偿系数，然后使用补偿系数在进行电流查表运算之前，对查表用的转速进行线性补偿，以补偿后的转速作为输入，参与电流查表的运算，得到当前温度下最优的直轴电流和交轴电流指令值。由此节省不同转子温度下电流表的制作开发，确保电机系统既能够保证逆变器的电压输出能力用满，也能够保证将电机磁场能力发挥最大化，同时也可以保证输出转矩的精确性

本方法具体包括如下步骤：

步骤1，电机转子温度估算：通过等效热阻方法获得转子温度。

本步骤中，通过等效热阻方法获得转子温度，可以进一步真实的表征电机的状态。具体实施中，估算的转子温度需要通过台架试验验证充分，确保估算值和实测值的差异不超过10℃。

步骤2，建立补偿系数单元的第一预设查表表格：以估算的转子温度作为补偿系数单元的输入，通过离线标定方法或有限元仿真方法，获得电机的补偿系数。

具体实施中，以估算的转子温度作为补偿系数单元的输入，需要限定转子温度的幅值在[Min，Max]℃之间，最大、最小温度的具体数值，根据实际电机工作时转子能够达到的温度范围决定。

由于电机的气隙磁密、空载主磁通、空载反电动势成正比，都随着温度的升高，呈现近似于线性下降的特性，所以可以通过主要的三个工作温度点获取补偿系数的规律。

本实施例中，采用有限元仿真方法获得补偿系数，参见图2：

使用有限元软件让电机模拟工作在定子、转子都为20℃环境舱中运行，获得该电机在各个转速下对应的最优控制电流点，将各转速与已有80℃对应的其中一个转速点——如n₁——的电流进行对比，在20℃的电流表中查找获得转速n₂对应的电流基本与其重合，由此获得补偿系数为k₁＝n₂/n₁。

同理获得转子温度在80℃时，电机运行的补偿系数值k₂；

同理获得转子温度在150℃时，电机运行的补偿系数值k₃；

将以上三组数据作为第一预设电流查表的输入值和表中值，建立补偿系数单元的查表表格。

进一步地，此补偿系数查表表格视情况而可选择一维线性表格或者二维表格，区别在于一维线性表格的输入参数只有估算的转子温度，而二维表格的输入参数除估算的转子温度外，可加入转矩参数，以便达到对各个工况的更精确的控制。

在另外的实施例中，也可以采用离线标定的方法获得补偿系数，参见图3：

使用电机台架系统，控制电机系统在20℃环境舱中运行，确保转子温度的实际值不超过[15，25]℃，该温度范围可调，视控制精度要求而定。通过标定的方法，在电机运行的所有转速点进行转速输出测试，以实测线电压为最大逆变器输出能力为目标，获得各转速下的补偿系数值，考虑系统的稳定性，取其中最大值为当前温度20℃时的补偿系数k₁；

同理获得转子温度在60℃时，电机系统正常运行的补偿系数值k₂；

同理获得转子温度在100℃时，电机系统正常运行的补偿系数值k₃；

以上三个温度的选择主要考虑环境舱的实际允许工作能力值。

将以上三组数据作为第一预设查表表格的输入值和表中值，建立补偿系数单元的查表表格。

通过以上任意一种方法建立的补偿系数单元，都可以获得该电机的补偿系数，图4为其示意图。

步骤3，使用补偿系数，在进行电流表查表表格运算之前，对运算使用的转速进行线性补偿，以补偿后的转速作为输入，参与电流表查表表格的运算，得到当前温度下最优的直轴电流和交轴电流指令值，输出进行电机控制，使得既能够保证逆变器的电压输出能力用满，也能够保证将电机能力发挥最大化，同时也保证了输出转矩的一致性。

进一步的实施例，是一种汽车电驱动系统的电机控制系统，其包括转子温度估算模块、第一预设查表表格建立模块、补偿运算模块。

所述转子温度估算模块用于通过等效热阻方法获得转子温度，包括：电机定子温度的检测单元、逆变器三相电流的检测单元、定子绕组侧热量估算单元、冷却环境热量估算单元和电机运行工况判定单元。

所述第一预设查表表格建立模块用于建立补偿系数单元的第一预设查表表格，以估算的转子温度作为补偿系数单元的输入，通过离线标定方法或有限元仿真方法，获得电机的补偿系数。

所述补偿运算模块用于使用补偿系数在进行电流表查表运算之前，对电流查表表格用的转速进行线性补偿，以补偿后的转速作为输入，参与电流查表表格的运算，得到当前温度下最优的直轴电流和交轴电流指令值，输出进行电机控制。

在转子温度估算模块中：

所述电机定子温度的检测单元检测电机定子侧温度，温升变化用于定子绕组侧热量估算单元，估算定子侧产生的热量。

所述逆变器三相电流的检测单元用于检测电机定子侧三相电流，三相电流用于计算定子侧消耗的功率，与定子温度的检测单元一并作为转子温度升高或者降低的预测判断。

所述定子绕组侧热量估算单元采用检测的电机定子侧温度变化量，再结合电机定子部分的热容量和质量，估算定子绕组侧产生的热量。

所述冷却环境热量估算单元根据检测的电机定子侧温度变化量，通过标定的方法获得电机定子侧温度变化量和冷却带走热量的关系，估算出冷却部分热量。

所述电机运行工况判定单元根据常规检测的转速和转矩信号，对电机的热量流向进行判断，结合逆变器三相电流检测单元计算出的功率变化，从而判定出转子温度的变化是升高或者降低。

通过以上技术方案可见，本发明在已有的永磁同步电机矢量控制系统基础上，增加获取电机转子温度的估算模块。

该模块的电机定子温度的检测单元和逆变器三相电流的检测单元，是基本矢量控制的电机所具备的硬件元素，定子绕组侧和冷却环境热量估算单元、电机运行工况判定单元都是软件中的逻辑算法元素，不会增加额外硬件成本。

通过考虑转子温度的变化是由热交换和电磁感应发热的不同方式造成，电机运行工况判定单元确定了在有功功率输出工况和纯无功功率运行工况对转子温度的影响程度。

定子绕组侧热量估算单元和冷却环境热量估算单元，利用电机定子温度检测单元检测的电机定子绕组上的温度，根据逆变器三相电流检测单元计算出消耗的功率，遵循热量交换定律，两者之间的热量差的部分，是和转子侧传递的热量，最终得到转子侧温度的升高和降低量。

本发明方法为保证控制的一致性，本发明需要获取电机的定转子在80℃下运行时的电流表。作为基准的控制电流，所述的电流表具有在标准的80℃定子和转子温度工况运行下的精准控制电流和转矩的特性。

本发明增加以转子温度为输入的补偿系数表格，即第一预设查表表格，该表格需要通过离线标定方法或者有限元仿真方法获得。

此第一预设查表表格以转子温度值为输入，补偿系数作用到转速上，在进行第二预设查表表格，即控制电流查表之前，将当前转子温度下最优的工作电流通过转速补偿的方法获得，可以避免因转子磁链的变化造成的逆变器控制电压饱和问题。

将第一预设查表表格输出的补偿系数与第二预设电流查表表格的输入转速相作用获得优化后的直轴电流指令和交轴电流指令，使用电流闭环的策略对电机的控制，实现在不同转子温度情况，都可以自适应将逆变器的能力和电机的能力进行最优匹配，达成控制的鲁棒性和效率最优。

本发明可以节省不同转子温度下电流表的制作开发，确保电机系统既能够保证逆变器的电压输出能力用满，也能够保证将电机磁场能力发挥最大化，同时也可以保证输出转矩的精确性。

进一步的实施例还提供一种车辆，所述车辆配置有以上所述的电驱动系统的电机控制系统。

本领域的技术人员可以理解，以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明。

Claims (8)

1.一种汽车电驱动系统的电机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，电机转子温度估算：通过等效热阻方法获得转子温度；

步骤2，建立补偿系数单元的第一预设查表表格：以估算的转子温度作为补偿系数单元的输入，通过离线标定方法或有限元仿真方法，获得电机的补偿系数；

步骤3，使用补偿系数在进行电流表查表运算之前，对电流查表表格用的转速进行线性补偿，以补偿后的转速作为输入，参与电流查表表格的运算，得到当前温度下最优的直轴电流和交轴电流指令值，输出进行电机控制。

2.根据权利要求1所述的汽车电驱动系统的电机控制方法，其特征在于，所述步骤1的电机转子温度估算具体是：根据检测的定子温度的温升变化计算出产生的热量，和根据环境热量估算获得冷却带走的热量，两者之差即是和电机转子侧交互的热量，再利用检测到的功率变化和检测到的定子绕组上的温度变化，估计出热量流向，得到电机转子侧温度的升高和降低量。

3.根据权利要求1所述的汽车电驱动系统的电机控制方法，其特征在于，所述步骤2中，使用有限元仿真方法获得电机的补偿系数是：

使用有限元软件让电机模拟工作在定子、转子都为20℃环境舱中运行，获得该电机在各个转速下对应的最优控制电流点，将各转速与已有80℃对应的其中一个转速点n₁的电流进行对比，在20℃的电流表中查找获得转速n₂对应的电流基本与其重合，由此获得补偿系数为k₁＝n₂/n₁；

同样，获得转子温度在80℃时，电机运行的补偿系数值k₂；

同样，获得转子温度在150℃时，电机运行的补偿系数值k₃；

将以上三组数据作为第一预设查表表格的输入值和表中值，建立补偿系数单元的第一预设查表表格。

4.根据权利要求1所述的汽车电驱动系统的电机控制方法，其特征在于，所述第一预设查表表格可选择一维线性表格或者二维表格，一维线性表格的输入参数是估算的转子温度，而二维表格的输入参数是估算的转子温度和转矩参数。

5.根据权利要求1所述的汽车电驱动系统的电机控制方法，其特征在于，所述步骤2中，使用离线标定方法获得电机的补偿系数是：

控制电机系统在20℃环境舱中运行，在电机运行的所有转速点进行转速输出测试，以实测线电压为最大逆变器输出能力为目标，获得各转速下的补偿系数值，取其中最大值为当前温度20℃时的补偿系数k₁；

同样，获得转子温度在60℃时，电机系统正常运行的补偿系数值k₂；

同样，获得转子温度在100℃时，电机系统正常运行的补偿系数值k₃；

将以上三组数据作为第一预设查表表格的输入值和表中值，建立补偿系数单元的第一预设查表表格。

6.一种汽车电驱动系统的电机控制系统，其特征在于，包括转子温度估算模块、第一预设查表表格建立模块、补偿运算模块；

所述转子温度估算模块用于通过等效热阻方法获得转子温度；

所述第一预设查表表格建立模块用于建立补偿系数单元的第一预设查表表格，以估算的转子温度作为补偿系数单元的输入，通过离线标定方法或有限元仿真方法，获得电机的补偿系数；

所述补偿运算模块用于使用补偿系数在进行电流表查表运算之前，对电流查表表格用的转速进行线性补偿，以补偿后的转速作为输入，参与电流查表表格的运算，得到当前温度下最优的直轴电流和交轴电流指令值，输出进行电机控制。

7.根据权利要求6所述的汽车电驱动系统的电机控制系统，其特征在于，所述转子温度估算模块包括：电机定子温度的检测单元、逆变器三相电流的检测单元、定子绕组侧热量估算单元、冷却环境热量估算单元和电机运行工况判定单元；

所述电机定子温度的检测单元检测电机定子侧温度，温升变化用于定子绕组侧热量估算单元，估算定子侧产生的热量；

所述逆变器三相电流的检测单元用于检测电机定子侧三相电流，三相电流用于计算定子侧消耗的功率，与定子温度的检测单元一并作为转子温度升高或者降低的预测判断；

所述定子绕组侧热量估算单元采用检测的电机定子侧温度变化量，再结合电机定子部分的热容量和质量，估算定子绕组侧产生的热量；

所述冷却环境热量估算单元根据检测的电机定子侧温度变化量，通过标定的方法获得电机定子侧温度变化量和冷却带走热量的关系，估算出冷却部分热量；

所述电机运行工况判定单元根据常规检测的转速和转矩信号，对电机的热量流向进行判断，结合逆变器三相电流检测单元计算出的功率变化，从而判定出转子温度的变化是升高或者降低。

8.一种车辆，其特征在于，所述车辆配置有权利要求6或7所述的电驱动系统的电机控制系统。

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