專利名稱：控制包括永磁同步馬達的車輛的系統和方法
技術領域：
本發明涉及通過操縱控制角來減小內置式永磁(PM)電機中的扭矩波動。
背景技術：
混合動力電動車輛(HEV)使用電池作為能量儲存系統。插電式混合動力電動車輛(PHEV)是現有的混合動力電動車輛(HEV)技術的擴展。PHEV采用容量比標準的混合動力電動車輛的電池組的容量大的電池組,并增加了通過標準電插座給電池再充電的能力，以在電驅動模式或混合驅動模式下減少燃料消耗并進一步提高燃料經濟性。還存在電池電動車輛(BEV)應用，在BEV應用中，電機完全取代了內燃發動機。HEV、PHEV和BEV均包括電動馬達驅動系統，所述電動馬達驅動系統可包括永磁(PM)同步馬達。PM同步馬達包括轉子，所述轉子具有安裝在轉子外周上或者埋在轉子內部的永磁體。電動馬達驅動系統產生扭矩波動。馬達輸出扭矩包含由根據馬達的轉子位置的磁力變化所引起的扭矩波動。在用于減小內置式永磁(PM)電機中的扭矩波動的現有方法中，通過電機設計來使扭矩波動最小化。
背景技術：
信息可在第2008/0246425A1號美國專利公開以及第JP2009195049A號日本專利公開中進行查詢。
發明內容
在本發明的一個實施例中，一種用于控制包括永磁(PM)同步馬達的車輛的系統包括控制器。所述控制器被配置成利用馬達電流來控制所述馬達。在存在預定條件的情況下，馬達電流相對于針對最小繞組損耗的最佳馬達電流使得繞組損耗增加并使得扭矩波動減小。所述控制器還可被配置成確立馬達速度；基于馬達速度是否落入預定的速度范圍內來確定預定條件的存在情況。預定條件的存在情況可進一步基于扭矩命令是否超過預定值。在一個可能的特征中，在存在預定條件的情況下，馬達電流相對于針對最小繞組損耗的最佳馬達電流使得控制角減小至少5度。在本發明的另一實施例中，提供一種控制包括永磁(PM)同步馬達的車輛的方法。校準馬達以使得對于每個扭矩命令均存在對應的直軸(d軸)電流命令和交軸(q軸)電流命令。所述方法包括建立扭矩命令；分別確定對應于扭矩命令的d軸電流命令Id和q軸電流命令Iq ;基于Id、Iq控制馬達。在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得繞組損耗增加并使得扭矩波動減小。本發明的實施例可包括各種附加特征中的一個或多個。在一個特征中，在不存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小扭矩波動的最佳Id和Iq使得繞組損耗減小并使得扭矩波動增加。在另一特征中，所述方法還包括確立馬達速度；基于馬達速度是否落入預定的速度范圍內來確定預定條件的存在情況。在另一特征中，所述方法還包括進一步基于扭矩命令是否超過預定值來確定預定條件的存在情況。在一個可能的特征中，在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得峰值電流增加。在另一可能的特征中，在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得控制角減小至少5度。在另一實施例中，提供一種用于控制包括永磁(PM)同步馬達的車輛的系統。校準馬達以使得對于每個扭矩命令均存在對應的直軸(d軸)電流命令和交軸(q軸)電流命令。所述系統包括控制器，所述控制器被配置成建立扭矩命令；分別確定對應于扭矩命令的d軸電流命令Id和q軸電流命令Iq ;基于Id、Iq控制馬達。在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得繞組損耗增加并使得扭矩波動減小。
圖1是動力分流式動力系統構造的示意圖；圖2是框圖形式的動力系統動力流向圖的示意圖；圖3示出了包括馬達控制器和永磁(PM)同步馬達的電動馬達裝置；圖4示出了在本發明的實施例中對包括永磁(PM)同步馬達的車輛的控制；圖5示 出了在峰值電流為300A時，由8極48槽的內置式PM電機產生的作為控制角(Θ )的函數的平均扭矩和扭矩諧波；圖6示出了利用針對最小損耗被優化的控制角(Θ = 40度)獲得的扭矩波形與利用針對最小扭矩波動被優化的控制角(Θ =26度)獲得的扭矩波形的比較；圖7示出了在本發明的實施例中減小扭矩波動的方法。
具體實施例方式根據需要，在此公開本發明的詳細實施例；然而，應該理解的是，公開的實施例僅僅是本發明的示例性實施例，本發明可以以各種及替代的形式實施。附圖未必按比例繪制；一些特征可能會被夸大或最小化，以顯示特定組件的細節。因此，在此公開的具體結構和功能上的細節不應該被解釋為限制，而僅僅被解釋為用于教導本領域技術人員以各種方式使用本發明的代表性基準。本發明包括通過操縱控制角來控制內置式永磁(PM)電機中的扭矩波動的各個方面。馬達控制器通常被調諧成使損耗最小化并使燃料效率最大化。根據本發明，馬達控制器可被調諧成在一定條件下(例如，在一定的馬達速度水平和扭矩水平下)使扭矩波動最小化。更加詳細地講，在特定的速度水平和扭矩水平下，內置式PM電機可以以使波動(而非損耗)最小化的控制參數進行操作。本發明的實施例可在各種應用中實現。一個示例是混合動力電動車輛動力系。圖1中示出了混合動力電動車輛動力系。車輛系統控制器(VSC) 10、電池和電池能量控制模塊(BECM) 12以及包括馬達發電機子系統的變速器14通過控制器局域網(CAN)進行通信。由VSC 10控制的內燃發動機16通過扭矩輸入軸18將扭矩分配至變速器14。變速器14包括行星齒輪單元20，行星齒輪單元20包括環形齒輪22、中心齒輪24和行星架總成26。環形齒輪22將扭矩分配至變速齒輪(包括嚙合齒輪元件28、30、32、34和36)。變速器14的扭矩輸出軸38通過差速器及車橋機構42被可驅動地連接至車輛牽引輪40。齒輪30、32和34安裝在中間軸上，齒輪32與馬達驅動的齒輪44嚙合。電動馬達46驅動齒輪44,齒輪44作用為中間軸齒輪裝置的扭矩輸入件。電池通過能量流動路徑48、54向馬達46傳遞電能。如52處所示,發電機50以已知方式電連接至電池及馬達46。如本領域技術人員所了解的，圖1的動力分流式動力系統可以以多種不同的模式操作。如圖所示，傳動系有兩個動力源。第一動力源為發動機子系統和發電機子系統的組合，發動機子系統和發電機子系統利用行星齒輪單元20連接在一起。另一動力源包括電驅動系統(包括馬達46、發電機50和電池)，其中，電池作用為發電機50和馬達46的能量儲存介質。通常，VSC 10計算滿足驅動輪動力需求加上所有附件負載所需的總發動機動力，并獨立安排帶有或不帶有實際發動機性能反饋的發動機速度和負載操作點，以滿足總的動力需求。這種類型的方法通常用于使燃料經濟性最大化，并可用在具有(例如)VSC的其他類型的動力系統中。圖2中示出了圖1中所示的動力分流式動力系圖的各個元件之間的能量流動路徑。基于駕駛員輸入和其他輸入安排燃料供應計劃。發動機16向行星齒輪單元20傳遞動力。附件負載減少了可用的發動機制動力。通過行星環形齒輪將動力傳遞至中間軸齒輪30、32、34。從變速器輸出的動力驅動車輪。發電機50在作用為馬達時可向行星齒輪單元傳遞動力。當作用為發電機時，發電機50由行星齒輪單元驅動。類似地，馬達46和中間軸齒輪30、32、34之間的動力分配可沿任一方向進行。如圖1和圖2中所示，可通過控制發電機50而將發動機動力輸出分成兩條路徑。在操作中，系統確定駕駛員對扭矩的需求，并在兩個動力源之間實現最佳的動力分流。圖3示出了電動馬達70。電動馬達70包括馬達控制器72和永磁(PM)同步馬達74。可根據本發明的實施例控制電動馬達70。本發明的實施例在使用PM同步馬達的混合動力及電動車輛中是有用的。例如，馬達46或發電機50 (圖1和圖2)可被實現為PM同步馬達，而電動馬達70可代表馬達46或發電機50。本發明的實施例在其他應用中也是有用的，電動馬達70可代表一些其他的電動馬達。總體上，在本示例中，通過向控制PM同步馬達74的馬達控制器72提供扭矩命令來操作電動馬達70，電動馬達70試圖提供命令的扭矩輸出。如本領域技術人員所了解的，馬達控制器72可接收其他輸入(例如，可用電壓和當前馬達速度)。更加詳細地講，圖4示出了控制PM同步馬達74的示例性方法。校準電動馬達，以使得對于每個平均扭矩命令和馬達速度，分別存在對應的直軸(d軸)電流命令Id_Cmd和交軸(q軸)電流命令Iq_cmd，如查找表或映射表80處所示。電流調節器90基于Id_cmd和Iq_cmd對PM同步馬達74進行控制。更加詳細地講，電流調節器90產生d軸電壓命令Vd_cmd和q軸電壓命令Vq_cmd。進而，以已知方式分別測量反饋的d軸電流Id_fdb和反饋的q軸電流Iq_fdb。電流調節器90接收Id_fdb和Iq—fdb0圖4是控制PM同步馬達74的示例；其他控制技術也是可行的。本發明的實施例允許馬達控制器被調諧成在一定條件下(例如，在一定的馬達速度水平和扭矩水平下)使扭矩波動最小化。更加詳細地講，查找表80包含用于在各種扭矩/速度對(torque/speed pair)下操作馬達的控制參數。在大多數扭矩/速度對下，控制參數Id電流命令Id_cmd和控制參數Iq電流命令Iq_cmd可被調諧成使損耗最小化并使燃料效率最大化。然而，在一定的扭矩/速度對下，控制參數Id_cmd和Iq_cmd可被調諧成使波動(而非損耗)最小化，這在下面參照圖5至圖7進行進一步的解釋。扭矩波動是電機在其穩態扭矩附近產生的不期望的扭矩振蕩。扭矩波動會導致產生不期望的噪聲和振動。本發明的實施例通過改變控制角(atan(Id/Iq))來減小扭矩波動。具體地講，在存在預定條件的情況下，馬達電流相對于針對最小繞組損耗的最佳馬達電流使得控制角減小至少5度，也就是說，在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得控制角減小至少5度。有利地，用于減小扭矩波動的這種方法允許在現有的電機設計中解決噪聲和振動問題。在現有的馬達控制器中，對于給定的扭矩請求，馬達控制器被調諧或者被編程為自動地應用使馬達損耗最小化的控制參數(Id_cmd、Iq_cmd)。根據本發明，馬達控制器被調諧或者被編程為在一定的扭矩/速度對下減小扭矩波動。扭矩諧波是控制角(atan(Id/Iq))的強函數(strong function)。圖5示出了在峰值電流為300A時，由8極48槽的內置式PM電機產生的作為控制角(Θ )的函數的平均扭矩和扭矩諧波。平均扭矩(Tave)總體上由100指示。從損耗最小的立場得到的最佳控制角為Θ = 40度，并在102處 示出。針對最小諧波的最佳控制角為Θ = 26度，并在104處示出。24次諧波扭矩(H_24th)總體上由110指示。48次諧波扭矩(H_48th)總體上由120指示。如圖所示，隨著控制角接近從損耗最小的立場得到的最佳值，24次諧波扭矩和48次諧波扭矩顯著增加。在HEV、PHEV、BEV牽引應用中，以不使損耗最小化的控制參數持續操作是不可取的。然而，如果存在特定的馬達速度(在該馬達速度下，存在噪聲和振動問題)，則針對該特定的操作點應用新的控制策略將允許扭矩波動大大減小，而不會對車輛燃料經濟性造成重大影響。繼續參照圖5，在本示例中，在相電流為300A并且控制角Θ = 40度的情況下，電機可產生122Nm的扭矩。如圖6中所示，在相電流為350A并且控制角Θ = 26度的情況下，相同的電機可產生相同的122Nm的扭矩。圖6示出了利用針對最小損耗被優化的控制角(Θ = 40度)獲得的扭矩波形與利用針對最小扭矩波動被優化的控制角(Θ = 26度)獲得的扭矩波形的比較。扭矩波形140具有針對最小損耗的控制角Θ =40度。扭矩波形150具有針對最小扭矩波動的控制角Θ = 26度。后者的控制策略(Θ = 26度)產生的繞組損耗比前者的控制策略(Θ = 40度)產生的繞組損耗高36%，但是后者的控制策略(Θ=26度)使24次諧波扭矩和48次諧波扭矩分別減小到前者的控制策略(Θ = 40度)的56. 6%和47.5%。每當扭矩諧波可被容許時，就應當選擇第一控制角(Θ =40度)，可選擇波動減小且損耗較高的控制角(Θ =26度)以解決特定的噪聲和振動問題。在下表中示出了利用針對最小損耗被優化的控制角(Θ = 40度)獲得的扭矩波形與利用針對最小扭矩波動被優化的控制角(Θ = 26度)獲得的扭矩波形的比較。
表I
權利要求
1.一種用于控制包括永磁(PM)同步馬達的車輛的系統，所述系統包括控制器，所述控制器被配置成利用馬達電流來控制所述馬達，其中，在存在預定條件的情況下，馬達電流相對于針對最小繞組損耗的最佳馬達電流使得繞組損耗增加并使得扭矩波動減小。
2.如權利要求1所述的系統，其中，所述控制器還被配置成確立馬達速度；基于馬達速度是否落入預定的速度范圍內來確定預定條件的存在情況，并進一步基于扭矩命令是否超過預定值來確定預定條件的存在情況。
3.如權利要求2所述的系統，其中，在存在預定條件的情況下，馬達電流相對于針對最小繞組損耗的最佳馬達電流使得控制角減小至少5度。
4.如權利要求1所述的系統，其中，在存在預定條件的情況下，馬達電流相對于針對最小繞組損耗的最佳馬達電流使得控制角減小至少5度。
5.一種控制包括永磁(PM)同步馬達的車輛的方法，校準所述馬達以使得對于每個扭矩命令均存在對應的直軸(d軸)電流命令和交軸(q軸)電流命令，所述方法包括建立扭矩命令；分別確定對應于扭矩命令的d軸電流命令Id和q軸電流命令Iq ；基于Id、Iq控制所述馬達，其中，在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得繞組損耗增加并使得扭矩波動減小。
6.如權利要求5所述的方法，其中，在不存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小扭矩波動的最佳Id和Iq使得繞組損耗減小并使得扭矩波動增加。
7.如權利要求6所述的方法，所述方法還包括確立馬達速度；基于馬達速度是否落入預定的速度范圍內來確定預定條件的存在情況。
8.如權利要求7所述的方法，所述方法還包括進一步基于扭矩命令是否超過預定值來確定預定條件的存在情況。
9.如權利要求8所述的方法，其中，在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得峰值電流增加。
10.如權利要求9所述的方法，其中，在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得控制角減小至少5度。
11.如權利要求5所述的方法，其中，在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得峰值電流增加。
12.如權利要求11所述的方法，其中，在存在預定條件的情況下，Id和Iq相對于針對最小繞組損耗的最佳Id和Iq使得控制角減小至少5度。
全文摘要
本發明提供一種控制包括永磁同步馬達的車輛的系統和方法。所述系統包括控制器，所述控制器被配置成利用馬達電流來控制所述馬達。在存在預定條件的情況下，馬達電流相對于針對最小繞組損耗的最佳馬達電流使得繞組損耗增加并使得扭矩波動減小。
文檔編號H02P21/00GK103042948SQ20121037699
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月8日 優先權日2011年10月14日
發明者佛朗哥·倫納迪, 迪恩·理查德·卡尼尼, 邁克爾·W·德格內爾 申請人:福特全球技術公司