專利名稱：一種混合動力汽車中電機控制方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種永磁同步電機的控制裝置，尤其是涉及一種在混合動力 汽車中，利用永磁同步電機作為輸出動力之一時，對系統中永磁同步電機的 控制方法和控制裝置，該裝置為一種自適應直流母線電壓變化的控制裝置。
技術背景永磁同步電機尤其是內嵌永磁體的內嵌式永磁同步電機(IPM)具有高性 能的可調速運行的優點，因此在混合動力汽車領域中應用非常廣泛，其高性 能的扭矩控制可以通過優化的每安培最大扭矩控制技術在低速時可以得到滿 意的運行性能，但隨著轉速的增加，由于電流調節器和電壓源的限制會使扭 矩降低。永磁電機的轉子磁場由永磁體產生，通過利用直軸電樞反應使電機 氣隙磁場減弱從而達到弱磁擴速的目的。目前對應永磁電機的弱磁控制方案 比如六步電壓控制方案需要估計定子磁鏈和知道功角狀況，難以實現，如《伺 服控制》雜志2006年第3期發表的由哈爾濱工業大學的徐壯和徐殿國的文章 《內嵌式永磁同步電機變結構直接轉矩控制及定子磁鏈觀測》；對于前饋弱磁 方案存在著不能在電動工況下實現弱磁運行狀態的自然切換，或者存在電機 參數變化對電機控制影響的缺陷；目前很多采用的電流調節方案，采用電流 解耦控制和給定電壓補償有效地改善了電機性能，如CN200510082238. 4中提 到的弱磁區控制方案。但由于溫升或直流電壓母線引起的電壓變化會導致電 壓調節器工作不穩定，嚴重時引起整個系統的不穩定的問題上述方案沒有提 及解決措施 發明內容本發明要解決的技術問題在于，在混合動力汽車中針對目前永磁同步電 機尤其是IPM電機控制方法中存在由于溫升或直流電壓母線引起的電壓變化
會導致電壓調節器工作不穩定，嚴重時引起整個系統的不穩定的問題，提出 一種新的弱磁控制方法和實現該方法的裝置，利用該方法控制電機工作能很 好的適應母線電壓的變化，提高了整個系統的穩定性，得到了優良的控制性能。本發明為解決上述技術問題而采用如下的技術方案 一種混合動力汽車 電機控制方法，由微處理器通過接口電路獲取電機轉子的位置和轉速值、電 機的輸入電流值、逆變器直流側電壓值(直流母線電壓)和扭矩指令，進行 運算后，得到電機運行所需的三相電壓數值，通過SVP麗(空間矢量脈寬調制) 轉換成控制逆變器工作的信號控制電機的工作，包括以下步驟(1) 獲取所需的外部參數電機轉子的位置和轉速值、電機的輸入電流值、 直流母線電壓值和扭矩指令；(2) 將電機的輸入電流值轉換成d/q軸電流反饋值；(3) 獲取d/Q軸電流指令值；(4) 獲取d/q軸電壓指令值；(5) 將d/q軸電壓指令值通過同步/固定坐標轉換得到SVP麗所需的控制 逆變器的三相電壓值。進一步的，所述d/q軸電流反饋值是由電機的輸入電流與電機轉子位置 值進行固定/同步坐標轉換而得到的。進一步的d/q軸電流指令值是由扭矩指令、電機的速度、以及作為內部 反饋的d/q軸電流修正值通過下列步驟獲得(a) 通過查取永磁同步電機MTPA曲線得到d/q軸電流指令初值；(b) d軸電流指令值為d軸電流指令初始值與d軸電流修正值之和，q軸 電流指令值為Q軸電流指令初始值與q軸電流修正值之和；(c) 根據步驟(b)確定的q軸電流指令值與扭矩指令若符號相反，則取與 扭矩指令符號相同作為軸電流指令值。進一步的，本發明中d/q軸電流指令修正值按下列步驟獲得
由d/q軸電壓指令值與直流母線電壓值按下式得到此刻的P麗調制JI數式中M為P麗調制指數、"加,為d軸電壓指令值、"—為q軸電壓指令 值、 為直流母線電壓值。根據預先設定的P麗調制指數閾值，通過此處計算的P麗調制指數與預 先設定的PWM調制指數閾值的PI控制得到理論d軸電流修正值，當理論d軸 電流修正值大于零時，電流調節器未飽和，此時d軸電流指令修正值為O， d 軸電流，無需切換到弱磁運行狀態，否則d軸電流指令修正值等于理論d軸 電流修正值，電機自然切換到弱磁運行狀態。進一步的d/q軸電壓指令值由d/q軸電流指令值、電機的速度以及電流 反饋值通過以下步驟運算得出(A) d軸電壓矢量為對d軸電流指令值與d軸電流反饋值的PI控制輸出值 減去電機極對數、q軸電感以及q軸電流反饋值的乘積；(B) q軸電壓矢量為對q軸電流指令值與q軸電流反饋值的PI控制輸出值 與電機極對數、q軸電感以及q軸電流反饋值的乘積以及電機極對數、永磁磁 鏈的乘積之和。本發明的另一個目的是提供混合一種動力汽車的電機控制裝置，包括輸 入接口和運算中心，其中所述輸入接口包括傳感器輸入接口和與CAN BUS的接口，分別與電機轉 子位置傳感器、電機輸入電流傳感器、直流母線電壓傳感器和汽車的CANBUS 總線相連；所述運算中心包括固定/同步坐標變換單元、d/q軸電流指令運算單元、 d/q軸電流指令修正單元、電壓矢量指令運算單元、同步/固定坐標變換單元; 所述固定/同步坐標變換單元輸入接所述輸入接口電路，它取電機的三相
電流以及轉子位置角作為輸入，并運算得到d/q軸電流反饋值輸出接所述電 壓矢量指令運算單元；所述d/q軸電流指令運算單元，輸入分別接所述輸入接口和d/q軸電流 指令修正單元的輸出端，它從CAN BUS接口取扭矩指令、從傳感器輸入取電 機的速度、以及從d/q軸電流指令修正單元的d/q軸電流指令修正值作為其 輸入，運算輸出d/q軸電流指令值，接電壓矢量指令運算單元的輸入端；所述電壓矢量指令運算單元，輸入端分別接所述d/q軸電流指令運算單 元、所述固定/同步坐標變換單元和所述輸入接口，分別取d/q軸電流指令運 算單元的d/q軸電流指令值、電機的速度U)以及固定/同步坐標變換單元的 d/q軸電流反饋值作為其輸入，并運算得到d/q軸電壓指令值，輸出接同步/ 固定坐標變換單元和d/q軸電流指令修正單元的輸入端；所述的d/q軸電流指令值修正單元，接收端分別接所述電壓矢量指令運 算單元和所述輸入接口，它取電壓矢量指令運算單元d/q軸電壓指令值以及 傳感器輸入的直流母線電壓為輸入，運算輸出d/q軸電流指令修正值，輸出 接所述d/q軸電流指令運算單元；所述同步/固定坐標變換單元，輸入端分別接所述電壓矢量指令運算單元 和所述輸入接口，它取電壓矢量指令運算單元的d/q軸電壓指令值以及傳感 器輸入的轉子位置角作為其輸入，并運算得到三相電壓值輸出接逆變器，由 逆變器控制電機的三相電壓。本發明通過P麗調制指數判斷電流調節器飽和程度，當飽和時在同步旋 轉坐標系使瞬時電流矢量向直軸負方向運行，保證在電壓、電流以及速度限 制內穩定運行，自然切換到弱磁狀態運行，否則在非弱磁狀態運行。該控制 方法最大的優點是通過P麗調制指數識別電流調節器飽狀況，具有自適應逆 變器直流母線電壓和電機參數變化。對于直流母線電壓隨著汽車負載和車上 電池兗電狀態而變化明顯的混合動力汽車更為適用。下面結合實施例和附圖來進一步說明本發明。
圖1混合動力汽車中永磁同步電機控制裝置原理方框圖。圖2本發明混合動力汽車電機控制系統方框圖。
具體實施方式
圖1是混合動力汽車中永磁同步電機控制裝置原理方框圖，本電機采用 矢量控制方法，根據汽車的運行狀態對電機采取不同的控制方式。本電機在混合動力中的功能主要是在汽車靜止的時候停止發動機，在需要啟動的時候電機啟動發動機；在汽車運行過程中，為發動機提供輔助扭 矩，減少發動機負載；在其他情況下能再生制動，能對車上電池有效充電。 電機的運行有四種模式(1) 速度模式根據整車控制器的速度指令，控制電機達到速度要求， 啟動發動機運行。(2) 扭矩模式啟動成功后，運行于扭矩模式，提供輔助扭矩驅動和再 生制動功能。(3) 故障模式故障模式是針對系統故障例如傳感器故障、門驅動故 障、逆變器故障等用來保護MCU硬件和電機。(4) 零扭矩模式零扭矩模式為速度模式和扭矩模式轉換過渡模式，為 電機運行提供可靠保障。當故障模式時，直接關斷Inverter進入保護。其他三個模式電機控制流 程如下如圖l、圖2所示，(1)混合動力永磁同步電機矢量控制器與整車控制器通過CAN通訊，電 機運行模式受控于整車控制器，電機矢量控制器通過傳感器組接受電機的電 流、電壓、溫度等，整車控制器通過CAN發送給電機控制器電機運行模式指 令、運行速度指令及運行扭矩指令。當運行模式為速度時，通過對電機速度 指令與速度檢測模塊10通過傳感器檢測的速度反饋值進行PI控制后輸出得
到扭矩指令模塊l輸出的T^，在扭矩模式或零扭矩模式時，當整車控制器對電機的運行扭矩指令超過電機最大可提供扭矩時，扭矩指令模塊l的輸出 為電機最大可提供扭矩，否則取整車的運行扭矩指令。(2) d/q軸電流指令修正運算模塊3:根據上一次采樣時刻的電壓矢量運 算模塊4中瑜出m^、 w—^結合下式計算調制指數M:4根據預先設定的PWM調制指數閾值M^通過M與7W^的PI控制得到 /_^，當/_^大于零時，電流調節器未飽和，d軸電流指令修正值/—^為0， 電機按照MTPA運行，否則/>等于/ ，電機運行于弱磁狀態，q軸電流指令 修正值通過m^、 m^的均方值與最大電壓m^的PI控制輸出得到q軸電流 指令修正值/_。(3) d/q軸電流指令運算單元2:根據扭矩指令J^，結合MTPA(每安培 最大扭矩)特性，可以得到此時MTPA運行時的定子直軸和交軸電流參考值,'^ 和/^。 d軸電流指令值/—^修正為/c與d/q軸電流指令修正運算3中 的/>之和，q軸電流指令值/ —修正為/f p,與d/q軸電流指令修正運算3中的之和，當此和與Tre/符號相反時應使其取與JV符號相同作為。(4) 固定/同步坐標變換模塊8:位置檢測模塊9通過位置傳感器得到轉子位置角^，根據^通過速度檢測模塊10得到電機速度w，根據電流傳感器'號得到三相電流/。、 /b、 /。，通過固定/同步坐標變換模塊8得到直軸和交軸電流反饋信號Z'd、 /q 。(5)根據d/q軸電流指令運算單元2中的輸出/—~、 /—一、電機速度檢測模塊10輸出的電機速度w以及固定/同步坐標變換模塊5輸出的d/q軸電流 反饋值/,、 ^運算，d軸電壓矢量為對/^與^的PI控制輸出值減去電機極對數p、 w,q軸電感Lq以及iq勺乘積，q軸電壓矢量為對i-qref與iq的PI控制 輸出值與電機極對數p、 w,q軸電感Ld以及id的乘積以及電機極對數;p、 w,q永磁磁鏈wm的乘積之和。(6) 同步/固定坐標變換模塊5:根據電壓矢量指令運算模塊4輸出的 d/q軸電壓指令值u-dref,Uqref以及磁極位置檢測模塊9通過傳感器檢測到的轉子位置角e，通過同步/固定坐標變換運算得到三相電壓值Ua, Ub, Uc；(7) SVP麗發生器6為本實施例用來控制逆變器7的輸出的根據同步/ 固定坐標變換模塊5輸出的三相電壓值Ua, Ub, Uc作為輸入，相關芯片的P麗 模塊實現調制輸出P麗信號，即逆變器7橋臂開關狀態Sa, Sb, Sc輸出至 逆變器7。逆變器7的導通和關斷驅動電機旋轉。根據不同的運行模式，該電機控制裝置能及時適應母線電壓和電機參數 的變化，實現高精度、快速響應的扭矩控制。
權利要求
1. 一種混合動力汽車電機控制方法，由微處理器通過接口電路獲取電機轉子的位置和轉速值、電機的輸入電流值、逆變器直流側電壓值和扭矩指令，進行運算后，得到電機運行所需的三相電壓數值，通過SVPWM轉換成控制逆變器工作的信號控制電機的工作，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)獲取所需的外部參數電機轉子的位置(θ)和轉速值(ω)、電機的輸入電流值(ia、ib、ic)、直流母線電壓值(Vdc)和扭矩指令(Tref)；(2)將電機的輸入電流值轉換成d/q軸電流反饋值(id、iq)；(3)獲取d/q軸電流指令值(i_dref、i_qref)；(4)獲取d/q軸電壓指令值(u_dref、u_qref)；(5)將d/q軸電壓指令值(u_dref、u_qref)通過同步/固定坐標轉換得到SVPWM所需的控制逆變器的三相電壓值(ua、ub、uc)。
2. 根據權利要求l所述的一種混合動力汽車電機控制方法，其特征在于 所述d/q軸電流反饋值(L、 /,是由電機的輸入電流(/。、 /6、 /。)與電機轉子位置值(e)進行固定/同步坐標轉換而得到的。
3. 根據權利要求l所述的一種混合動力汽車電機控制方法，其特征在于 所述步驟(2)中d/q軸電流指令值(/^、 /一w)是由扭矩指令(J^)、電機的速度(w)、以及作為內部反饋的d/q軸電流修正值(/^、 / ,)通過下列步驟獲得(a)通過查取永磁同步電機MTPA曲線得到d/q軸電流指令初值(/d ■、:(b)d軸電流指令值(/_~)為d軸電流指令初始值(z、，)與d軸電流 修正值()之和，q軸電流指令值(/ —)為q軸電流指令初始值(L自)與q軸電流修正值(/,)之和；(C)根據步驟(b)確定的q軸電流指令值(/_—)與扭矩指令(7^/)若符號相反，貝諏與扭矩指令(;rj符號相同作為軸電流指令值(/—)。
4. 根據權利要求3所述的一種混合動力汽車電機控制方法，其特征在于 所述步驟(b)中d/q軸電流指令修正值(/^、 按下面步驟獲得-(i) 由d/q軸電壓指令值(w ^、M—)與直流母線電壓值(^)按下式得 到此刻的P麗調制指數(M):V("re/)2+("re/)2 、(ii) 根據預先設定的P麗調制指數閾值(M,)，通過此處計算的P麗調 制指數(M)與預先設定的P觀調制指數閾值(M,)的PI控制得到理論d軸電流修正值(/,w)，當理論d軸電流修正值(/—。大于零時，電流調節器未飽 和，此時d軸電流指令修正值(/^)為0， d軸電流，無需切換到弱磁運行狀態，否，d軸電流指令修正值(/*)等于理論d軸電流修正值(/^,)，電機自然切換到弱磁運行狀態。
5. 根據權利要求l所述的一種混合動力汽車電機控制方法，其特征在于 所述步驟(4)中的d/q軸電壓指令值(^ 、^一 )由d/q軸電流指令值(/— 、電機的速度("以及電流反饋值(L、 / )通過以下步驟運算得出 (A)d軸電壓矢量為對d軸電流指令值(/—~)與d軸電流反饋值(^)的 PI控制輸出值減去電機極對數(P、 w)、 q軸電感(丄(》以及q軸電流反饋值 (/ )的乘積；卜(B)q軸電壓矢量為對q軸電流指令值(/一)與q軸電流反饋值(")的 PI控制輸出值與電機極對數(p 、 w) 、 q軸電感(丄,)以及q軸電流反饋值(L)的乘積以及電機極對數(p、 W)、永磁磁鏈(yj的乘積之和。
6.—種電機控制裝置，包括輸入接口和運算中心，其特征在于所述輸入接口包括傳感器輸入接口和與CAN BUS的接口，分別與電機轉 子位置傳感器、電機輸入電流傳感器、直流母線電壓傳感器和汽車的CANBUS 總線相連；所述運算中心包括固定/同步坐標變換單元、d/q軸電流指令運算單元、 d/q軸電流指令修正單元、電壓矢量指令運算單元、同步/固定坐標變換單元；所述固定/同步坐標變換單元輸入接所述輸入接口電路，它取電機的三相 電流(/。、 t、 /e)以及轉子位置角^)作為輸入，并運算得到d/q軸電流反饋 值(L、 t)輸出接所述電壓矢量指令運算單元；所述d/q軸電流指令運算單元，輸入分別接所述輸入接口和d/q軸電流 指令修正單元的輸出端，它從CANBUS接口取扭矩指令(7^,)、從傳感器輸入取電機的速度")、以及從d/q軸電流指令修正單元的d/q軸電流指令修正值 /一，)作為其輸入，運算輸出d/q軸電流指令值(/—^、 接電壓矢量指令運算單元的輸入端；所述電壓矢量指令運算單元，輸入端分別接所述d/q軸電流指令運算單 元、所述固定/同步坐標變換單元和所述輸入接口，分別它取d/q軸電流指令 運算單元的d/q軸電流指令值(f^、 電機的速度(w)以及固定/同步坐標鸞換單元的d/q軸電流反饋值(^、 /J作為其輸入，并運算得到d/q軸電壓指令值(M— 、M—w)，輸出接同步/固定坐標變換單元和d/q軸電流指令修正單元的輸入端；所述的d/q軸電流指令值修正單元，接收端分別接所述電壓矢量指令運 算單元和所述輸入接口，它取電壓矢量指令運算單元d/q軸電壓指令值 (M "、 M 以及傳感器輸入的直流母線電壓(4)為輸入，運算輸出d/q軸電流指令修正值(/ 、 /，輸出接所述d/q軸電流指令運算單元；所述同步/固定坐標變換單元，輸入端分別接所述電壓矢量指令運算單元 和所述輸入接口，它取電壓矢量指令運算單元的d/q軸電壓指令值(^^,、M 以及傳感器輸入的轉子位置角(W作為其輸入，并運算得到三相電壓值(W 、仏、M )輸出接逆變器，由逆變器控制電機的三相電壓。
全文摘要
本發明公開了一種混合動力汽車中電機控制方法及裝置。該方法是由微處理器通過接口電路獲取電機轉子的位置和轉速值、電機的輸入電流值、逆變器直流側電壓值和扭矩指令，進行運算后，得到電機運行所需的三相電壓數值，通過SVPWM轉換成控制逆變器工作的信號來控制電機的工作。通過對PWM調制指數來判斷電流調節器的飽和，根據飽和狀態來自動修正直軸和交軸電流指令值，自適應母線電壓和電機參數變化，達到很好的靜態和動態性能指標。該控制裝置可以自適應逆變器直流側母線電壓變化，自動完成弱磁區與非弱磁區運行狀態的自然切換，達到高精度、快速響應扭矩控制需求，實現寬速運行。
文檔編號B60L15/20GK101396976SQ20071007732
公開日2009年4月1日 申請日期2007年9月25日 優先權日2007年9月25日
發明者謝美娟 申請人:奇瑞汽車股份有限公司