CN115694298A - 用于车辆电牵引马达的控制周期减小的电流调节器 - Google Patents

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Abstract

车辆中的系统包括电流调节器和逆变器，电流调节器用于基于转矩输入从控制器获得电流命令并提供电压命令，逆变器用于使用来自电流调节器的电压命令和由电池供应的直流电(DC)来提供交流电(AC)。该系统还包括电牵引马达，以基于来自逆变器的AC的注入向车辆的变速器提供驱动力。所述电流调节器基于到所述电牵引马达的一输入及来自所述电牵引马达的一输出的反馈而调整由所述电流调节器实施的一传递函数的参数，以在不超过两个控制循环中实现与所述转矩输入对应的所述AC。

Description

用于车辆电牵引马达的控制周期减小的电流调节器
技术领域
本公开涉及一种用于车辆电牵引马达的控制周期减小的电流调节器。
背景技术
作为电池电动车辆(BEV)或电动混合动力车辆的车辆(例如，汽车、卡车、建筑设备、农用设备)使用牵引马达来代替内燃机或除了内燃机之外还使用牵引马达来推进，牵引马达是电动马达。牵引马达可以是具有嵌入转子中的磁体的内部永磁体(IPM)马达。结果，虽然表面永磁电动机具有附接到转子表面的永磁体并且仅使用来自磁体的磁转矩，但是IPM电动机除了使用磁转矩之外还使用通过磁阻的磁阻。转矩输入(例如，经由由驾驶员操作的加速器踏板)用于将来自车辆电池的直流电(DC)转换为到IPM马达的交流电(AC)，以实现转矩输入所请求的转矩。该转矩被供应给使车轮转动的动力传递单元。电牵引马达驱动系统包括在转矩输入和IPM电动机之间的电流调节器。因此，期望提供一种用于车辆电牵引马达的控制循环减少的电流调节器。
发明内容
在一个示例性实施例中，车辆中的系统包括电流调节器和逆变器，电流调节器用于基于转矩输入从控制器获得电流命令并提供电压命令，逆变器用于使用来自电流调节器的电压命令和由电池供应的直流电(DC)来提供交流电(AC)。该系统还包括电牵引马达，以基于来自逆变器的AC的注入向车辆的变速器提供驱动力。所述电流调节器基于所述电牵引马达的输入的反馈和所述电牵引马达的输出的反馈和而调整由所述电流调节器实施的传递函数的参数，以在不超过两个控制循环中实现与所述转矩输入对应的所述AC。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述电流调节器基于所述反馈来改变所述传递函数。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述系统还包含前向预测滤波器以获得到所述电牵引马达的所述输入的所述反馈且将下一控制循环中的直轴电流Id和正交轴电流Iq的预测提供到所述电流调节器。
除本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述系统还包含一微分器以获得来自所述电牵引马达的所述输出的所述反馈且将所述电牵引马达的一轴速度提供至所述控制器及所述电流调节器。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，电流调节器还包括查找表或多项式函数，以提供电感值，从而基于来自前向预测滤波器的直轴电流Id和正交轴电流Iq或基于来自控制器的电流命令来调整传递函数的参数。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述查找表或所述多项式函数是基于针对所述电牵引马达进行的测量。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述电流调节器包含查找表或多项式函数以提供一电阻值，从而基于所述电牵引马达的所述轴速度来调整所述传递函数的所述参数。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，电流调节器还包括查找表，以减轻直轴电流Id和正交轴电流Iq的控制中的速度相关误差。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述逆变器包括脉冲宽度调制器(PWM)，所述脉冲宽度调制器(PWM)被配置为将来自所述电流调节器的所述电压命令转换为三相逆变器电压控制信号。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述逆变器还包含DC到AC转换器，所述DC到AC转换器配置为从所述PWM获得所述三相电压命令且从所述电池获得所述DC以将三相AC电流提供到所述电牵引马达。
在另一示例性实施例中，车辆中的方法包括配置电流调节器以基于转矩输入从控制器获得电流命令并提供电压命令，以及布置逆变器以使用来自电流调节器的电压命令和由电池供应的直流电(DC)来提供交流电(AC)。所述方法还包含基于来自所述逆变器的所述AC的注入而定位一电牵引马达以将驱动力提供到所述车辆的一变速器。所述电流调节器基于所述电牵引马达的输入的反馈和所述电牵引马达的输出的反馈和而调整由所述电流调节器实施的传递函数的参数，以在不超过两个控制循环中实现与所述转矩输入对应的所述AC。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述配置所述电流调节器包含基于所述反馈而改变所述传递函数。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述方法还包含布置一前向预测滤波器以获得到所述电牵引马达的所述输入的所述反馈且将下一控制循环中的直轴电流Id和正交轴电流Iq的一预测提供到所述电流调节器。
除本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述方法还包含布置一微分器以获得来自所述电牵引马达的所述输出的所述反馈且将所述电牵引马达的一轴速度提供至所述控制器及所述电流调节器。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，配置电流调节器包括配置查找表或多项式函数以提供电感值，从而基于来自前向预测滤波器的直轴电流Id和正交轴电流Iq或基于来自控制器的电流命令来调整传递函数的参数。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，配置所述查找表或所述多项式函数包含使所述查找表或所述多项式函数基于针对所述电牵引马达进行的测量。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，配置所述查找表或多项式函数提供一电阻值以基于所述电牵引马达的所述轴速度调整所述传递函数的所述参数。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，配置电流调节器包括配置查找表以减轻直轴电流Id和正交轴电流Iq的控制中的速度相关误差。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，布置逆变器包括布置脉冲宽度调制器(PWM)以将来自电流调节器的电压命令转换为三相逆变器电压控制信号。
除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外，所述布置所述逆变器还包含布置DC到AC转换器以从所述PWM获得所述三相电压命令且从所述电池获得所述DC，从而将三相AC电流提供到所述电牵引马达。
当结合附图时，根据以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，其中：
图1是根据一个或多个实施例的具有用于电牵引马达的控制循环减少的电流调节器的车辆的框图；
图2为根据一个或多个实施例详述包含用于电牵引马达的控制循环减少的电流调节器的电牵引系统的方面的框图；以及
图3是根据一个或多个实施例的用于电牵引马达的控制循环减少的电流调节器的示意图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
如前所述，具有IPM马达的牵引系统用于BEV或混合动力车辆中的推进。根据现有方法，在转矩输入和IPM电机之间的电流调节器中使用的传递函数没有考虑到这样的事实：一些IPM参数是依赖于操作点的并且随着电流注入而变化。因此，现有的离散控制策略可能需要多个节拍(beat，即控制周期)来实现所请求的转矩所需的对IPM的电流命令，其中过冲(overshoot)和稳态误差也是可能的。与仅燃气发动机相比，这可能导致操作者或自主系统(其产生转矩命令(例如，操作者推动加速器踏板))与命令的实施之间的滞后、急动(jerk)和/或振动。本文中详述的系统及方法的实施例涉及用于电牵引马达的控制循环减少的电流调节器。具体地，电流调节器使用模型逆方法来考虑操作点依赖性并校正IPM中的饱和效应(saturation effect)。饱和效应是指这样的状况：马达的磁性材料会在磁通中饱和使得磁通量不再随着电流输入而线性增加。模型逆方法(model inverse method)可以使用参数查找表(LUT)或多项式拟合，如详细描述的。结果是可在少至一个控制循环中实现电流响应(即，提供至与所请求转矩对应的电牵引马达(例如IPM)的电流命令)。
根据一例示性实施例，图1是具有用于所述电牵引马达260(图2)的控制循环减少的电流调节器220(图2)的车辆100的框图。图1所示的示例性车辆100是汽车101。包含电牵引马达260(例如IPM)及电流调节器220(图2)的牵引系统110联接到供应DC的电池120及联接到将动力传递到驱动轮的变速器140。在气电混合动力车辆100的情况下，变速器140可以是混合动力变速器。电力牵引系统110接收源自输入源130(例如，驾驶员操作的车辆100中的加速器踏板130)的转矩输入T。
在图2中进一步详细描述的电力牵引系统110包括向脉宽调制器(PWM)230提供电压命令的电流调节器220。如图3中详述，此电流调节器220经设计以考虑了电牵引马达260的操作点依赖性。具体来说，电流调节器220控制注入到电牵引马达260中的三相AC 261(图2)，以影响在电牵引马达260的输出处产生驱动力的转矩。根据一个或多个实施例，该三相AC 261(其也可以被称为电流注入并且对应于实现转矩输入T所需的电流)比现有的电流调节器更快地实现(例如，在一个或两个控制周期中)。所述操作点依赖性是指这样的事实：所述电牵引马达260(例如IPM)的一些参数是操作点依赖的且随着电流注入而改变，如先前所述。因此，根据一个或多个实施例，所述电流调节器220中的一些项(例如，电阻R、电感L)或所使用的所述传递函数基于提供至电牵引马达260的经测量输入电流245而改变。因此，根据一个或多个实施例，电流调节器220通过对饱和及非线性性进行补偿而实现到电牵引马达260的准确电流注入。
图2是详细说明根据一个或多个实施例的电力牵引系统110的一些方面的框图，所述电力牵引系统110包含用于电牵引马达260的控制循环减少的电流调节器220。转矩输入T被提供给控制器210，控制器210分别生成直轴(direct-axis)d和正交轴(quadrature-axis)q电流命令I*d和I*q。控制器210可以实现已知的每安培最大转矩(MTPA)控制策略以生成和调节电流命令I*d和I*q。根据示例性实施例，控制器210可以包括处理电路，该处理电路可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适的组件。
在图3中进一步详细描述的电流调节器220从电流命令I*d和I*q生成直轴d和正交轴q电压命令v*d和v*q。PWM 230从直轴d和正交轴q转换成三相且将电压命令v*d和v*q作为三相逆变器电压控制信号提供到直流到交流(DC-AC)转换器240，所述DC-AC转换器240从蓄电池120获得DC且将三相AC 261提供到电牵引马达260。PWM 230和DC-AC转换器240一起可以被视为实现电力牵引系统110的逆变器235的功能。来自DC-AC转换器240的三相AC 261(即，注入到电牵引马达260的三相AC 261电流)由传感器245分接为电流传感器信号Ia、Ib、Ic，如图2中所指示。电牵引马达260接着基于所注入的三相AC 261向变速器140提供驱动力。也就是说，电牵引马达260产生传递到车辆100的车轮的转矩和运动。电牵引马达260的轴位置P由电牵引马达轴位置传感器265感测。
如图2所示，存在提供给控制器210、电流调节器220和PWM 230的反馈。由传感器245在电牵引马达260的输入处测量的电流传感器信号Ia、Ib、Ic通过前向预测滤波器250反馈到电流调节器220。前向预测滤波器250将电流传感器信号Ia、Ib、Ic转换为直轴d和正交轴q电流信号。前向预测滤波器250还改善信号保真度并预测下一个控制周期中的当前信号Id和Iq。由牵引马达轴位置传感器265提供的轴位置P被提供给PWM 230和前向预测滤波器250，前向预测滤波器250使用轴位置P将电流传感器信号Ia、Ib、Ic转换为直轴d和正交轴q电流信号。轴位置P也被提供给微分器215，微分器215指示与轴位置P相对应的轴速度ωe。该轴速度ωe用于控制器210和电流调节器220。
如参考图3详细描述的，可以在电流调节器220中使用已知的传递函数，以从由控制器210提供的电流命令I*d和I*q生成电压命令v*d和v*q。根据一个或多个实施例，调整影响所述传递函数输出的所述电感及电阻值被调整，以将由所述预测电流信号Id和Iq指示的所述电牵引马达260的操作点依赖性纳入考虑。根据附加或替代实施例，可以基于反馈来改变传递函数本身。基于与先前电流调节相比的电流调节器220的这些修改，需要少于两个的控制循环来实现与用于注入到所述电牵引马达260中的所述转矩输入T对应的所述三相AC261。电牵引马达260使用三相AC 261来产生电磁转矩。将该电磁转矩施加到马达轴导致机械转矩被传递到变速器140。电流调节器220在一个或两个控制循环中直接控制三相AC261，以间接控制转矩输入T所需的所得电磁转矩。
图3是根据一个或多个实施例的用于车辆100的电牵引马达260的控制循环减少的电流调节器220的示意图。如图2所示，电流调节器220从控制器210获得电流命令I*d和I*q。另外，根据示例性实施例，电流调节器220获得前向预测电流信号Id和Iq以及轴速度ωe。这些输入全部在图3中示出。参数Inputd和Inputq可以根据替代实施例或从一个控制周期到下一个控制周期而不同。根据示例性实施例，Inputd和Inputq是在框310和330处与LUT或多项式函数一起使用的来自控制器210的电流命令I*d和I*q。
在替代实施例中和/或在后续控制周期中，Inputd和Inputq是由前向预测滤波器250针对下一周期预测的所得当前信号Id和Iq。在替代实施例中和/或在随后的控制周期中，Inputd和Inputq是当前信号Id和Iq而不启用前向预测。在框310处，LUT或多项式函数提供直轴d中的静态sta和动态dyn电感L、Ld-sta和Ld-dyn。在框330处，LUT或多项式函数提供正交轴q中的静态sta和动态dyn电感L、Lq-sta和Lq-dyn。电感LUT可以具有来自马达的映射和校准的电感，其具有用于Ld-sta、Ld-dyn、Lq-sta和Lq-dyn的单独映射。LUT还可以是来自马达的映射和校准的直轴d和正交轴q通量表，其中根据已知的计算从磁通量和电流计算电感。在框320处，使用轴速度ωe的反馈来实现LUT或多项式函数。这提供了电阻Rs。
在每一框处的LUT或多项式函数基于测量，以确定电牵引马达260的操作点依赖性。测量点之间的插值可用于完成LUT。在框310和330处可以使用多达四个LUT，一个用于提供直轴d上的静态或动态电感值，并且一个用于提供上的静态或动态电感值。
如图所示，分别来自框310和330的动态电感Ld-dyn和Lq-dyn以及来自框320的电阻Rs被输入到传递函数TF的每个实现。如前所述，传递函数TF可以是任何已知的闭环传递函数，例如无差拍控制器(dead-beat controller)。根据示例性实施例，传递函数TF可以从一个控制周期改变到下一个控制周期。来自框310和330的动态电感Ld-dyn和Lq-dyn影响无差拍传递函数中的项(τ)，如下所示，而来自框320的电阻Rs被直接使用并且在项τ中使用：
Figure BDA0003642389860000071
当等式1在直轴d路径中应用时，τ＝τd＝Ld-dyn/Rs，并且当等式1在正交轴q路径中应用时，τ＝τq＝Lq-dyn/Rs。
通过在框310、320及330处使用LUT或多项式函数，在由电流调节器220产生的电压命令v*d及v*q中考虑电牵引马达260的操作点依赖性，所述电压命令最终作为三相AC 261提供到电牵引马达260以用于下一控制循环。如先前所述，在框310、320、330促进实现提供到电牵引马达260的三相AC 261，以在一个或两个控制循环内实现与转矩输入T对应的电磁转矩，其中框310、320、330具有在电流调节器220内部的模型逆传递函数，以考虑电牵引马达260中的项的操作点依赖性。
来自框310和330的静态电感Ld-sta和Lq-sta被提供给电流调节器220的去耦部分(decoupling portion)350，去耦部分350减轻直轴d电流和正交轴q电流的交叉联接效应以及速度干扰效应。去耦部分350通过包括来自框310和330的Ld-sta和Lq-sta而从现有的无差拍电流调节方案修改，并且每个控制周期更新去耦部分350，以减轻直轴d和正交轴q电流交叉联接，并使直轴d和正交轴q电流独立控制。通过在框340处包括LUT，减轻了速度相关干扰。框340提供马达转子永磁体磁通λpm以解耦反电动势(BEMF)的影响，反电动势可以充当干扰并引起Id和Iq中的速度相关误差。基于LUT的方法防止了这种误差，并改善了电流的高速动态特性，从而改善了转矩控制。交叉联接和BEMF都是电动机操作点相关的，并且电流调节器220考虑电转矩电动机260的非线性和饱和以精确地将它们解耦。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开不旨在限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种车辆中的系统，包括：
电流调节器，所述电流调节器被配置为基于转矩输入从控制器获得电流命令并提供电压命令；
逆变器，所述逆变器被配置为使用来自所述电流调节器的所述电压命令和由电池供应的直流电(DC)来提供交流电(AC)；以及
电牵引马达，所述电牵引马达配置为基于来自所述逆变器的AC的注入而将驱动力提供到所述车辆的变速器，其中所述电流调节器基于所述电牵引马达的输入的反馈和所述电牵引马达的输出的反馈和而调整由所述电流调节器实施的传递函数的参数，以在不超过两个控制循环中实现与所述转矩输入对应的AC。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电流调节器基于所述反馈来改变所述传递函数。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括前向预测滤波器及微分器，所述前向预测滤波器配置为获得所述电牵引马达的输入的反馈且在下一控制循环中将直轴电流Id及正交轴电流Iq的预测提供到所述电流调节器，所述微分器配置为获得所述电牵引马达的输出的反馈且将所述电牵引马达的轴速度提供到所述控制器及所述电流调节器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述电流调节器包含查找表或多项式函数以提供电感值，从而基于来自所述前向预测滤波器的所述直轴电流Id和所述正交轴电流Iq或基于来自所述控制器的所述电流命令来调整所述传递函数的参数，且所述查找表或所述多项式函数基于针对所述电牵引马达进行的测量，所述电流调节器包含查找表或多项式函数，以提供电阻值，以基于所述电牵引马达的所述轴速度调整所述传递函数的参数，或所述电流调节器包含查找表，以减轻直轴电流Id及正交轴电流Iq的控制中的速度依赖性误差。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述逆变器包含脉宽调制器(PWM)，所述脉宽调制器配置为将来自所述电流调节器的电压命令转换成三相逆变器电压控制信号，且所述逆变器还包含DC到AC转换器，所述DC到AC转换器配置为从所述PWM获得所述三相电压命令且从所述电池获得DC，以将三相AC电流提供到所述电牵引马达。
6.一种车辆中的方法，包括：
配置电流调节器，以基于转矩输入从控制器获得电流命令并提供电压命令；
布置逆变器，以使用来自所述电流调节器的所述电压命令和由电池供应的直流电(DC)来提供交流电(AC)；以及
定位一电牵引马达，以基于来自所述逆变器的AC的注入而将驱动力提供到所述车辆的变速器，其中所述电流调节器基于所述电牵引马达的输入的反馈和所述电牵引马达的输出的反馈和而调整由所述电流调节器实施的传递函数的参数，以在不超过两个控制循环中实现与所述转矩输入对应的AC。
7.根据权利要求6所述的方法，其中配置所述电流调节器包含基于所述反馈改变所述传递函数。
8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括布置前向预测滤波器，以获得所述电牵引马达的输入的反馈且在下一控制循环中将直轴电流Id及正交轴电流Iq的预测提供到所述电流调节器，以及布置一微分器，以获得所述电牵引马达的输出的反馈且将所述电牵引马达的轴速度提供到所述控制器及所述电流调节器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中配置所述电流调节器包括：配置查找表或多项式函数以提供电感值以基于来自所述前向预测滤波器的所述直轴电流Id和所述正交轴电流Iq或基于来自所述控制器的所述电流命令来调整所述传递函数的参数；且配置所述查找表或所述多项式函数包括：使所述查找表或所述多项式函数基于针对所述电牵引马达进行的测量；配置所述查找表或多项式函数能提供电阻值，以基于所述电牵引马达的所述轴速度调整所述传递函数的参数；或配置所述电流调节器包括配置查找表，以减轻直轴电流Id及正交轴电流Iq的控制中的速度依赖性误差。
10.根据权利要求6所述的方法，其中布置所述逆变器包括：布置脉宽调制器(PWM)，以将来自所述电流调节器的所述电压命令转换成三相逆变器电压控制信号，且布置所述逆变器还包括：布置DC到AC转换器以从所述PWM获得所述三相电压命令且从所述电池获得所述DC，以将三相AC电流提供到所述电牵引马达。
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