CN103684125A - 电动机扭矩控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机扭矩控制。一种车辆包括一个或多个逆变器供电的电机，例如永磁同步电动机。响应于扭矩请求，控制器向逆变器发出命令，逆变器经过计算使得电动机产生请求的扭矩。一种操作逆变器的方法可基于转子速度与逆变器输入电压的比值来确定命令，从而减小与多维查找表相关的近似误差。当所述速度和所述电压改变同时所述比值和所述扭矩请求被保持恒定时，发出的命令在电机中产生直流分量和正交分量恒定的绕组电流。

Description

电动机扭矩控制

技术领域

本公开涉及对电动机的控制。

背景技术

永磁同步电动机(PMSM)用于各种应用，其原因是相对于其他类型的电动机来说，PMSM通常具有良好的效率特性。通常，PMSM在定子内具有三个独立的电绕组，这三个独立的电绕组分别由交流(AC)电压V_a、V_b和V_c供电。在操作时，绕组电流I_a、I_b和I_c均以与转子速度成比例的频率振荡，且绕组电流I_a、I_b和I_c在相位上彼此分开120度。这些绕组电流感应出旋转磁场，所述旋转磁场可能与转子不同相。产生的轴扭矩取决于磁场的强度和相对于转子的相位角两者。

为了方便，绕组电压和电流可由关于与转子一起旋转的旋转参考系的矢量表示。转子位置和旋转参考系之间的映射取决于电动机中的极的数量。电压矢量具有直流分量V_d和正交分量V_q。类似地，电流矢量具有直流分量I_d和正交分量I_q。V_d、V_q、I_d和I_q不会基于转子位置而振荡。

在诸如电动车辆和混合动力电动车辆的特定应用中，可从不振荡的直流(DC)电压源(例如，电池)获得电功率。因此，逆变器用于将不振荡电压V_dc转换成三个振荡电压。逆变器包含离散数量的开关装置，因此，逆变器能够在三个电动机端子中的每个电动机端子处仅供应离散数量的电压电平。对于两电平逆变器来说，在任何时刻，开关装置都被设置为将三个AC电动机端子中的每个AC电动机端子电连接到正DC端子或负DC端子。因此，可获得8个开关状态。这些开关状态中的两个开关状态被称为零状态，在这两个开关状态下，所有的三个AC端子均连接到相同的DC端子。在其余的六个状态下，一个AC端子连接到DC端子中的一个，其他两个AC端子连接到相反的DC端子。逆变器能够在这8个状态之间快速地切换。

在图1中示出了典型的逆变器供电的PMSM的一些一般特性。在该图中，水平轴表示转子速度，竖直轴表示转子扭矩。操作区域取决于DC电压V_dc。如图所示，在参考DC电压时，正速度正扭矩操作区域可以以实线110、112和114为边界。在低速时，最大可用扭矩可由最大绕组电流限制，如由线110所指示的。线112指示在更高的速度时由电压限制的最大可用扭矩。在被称为拐点的点116处，电流和电压均处于其各自的最大值。虚线118指示在DC电压高于参考DC电压时对应的界限。线114指示整体最大额定速度。

PMSM可产生正扭矩或负扭矩，且可沿着正方向或负方向旋转。在正速度负扭矩象限中，PMSM用作发电机将机械能转换成电能。在该象限中，虽然对应于电压限制的最小扭矩曲线可能不是线112的镜像，但是特性类似于在图1中示出的特性。负速度区域紧密跟随围绕原点旋转180度的正速度区域。

图2示出了逆变器供电的PMSM在旋转参考系中关于绕组电流的典型特性。在该图中，直流分量I_d由水平轴表示，正交分量I_d由竖直轴表示。曲线210表示I_d和I_q的不同组合，所述不同组合将产生特定的输出扭矩。曲线212、214和216表示输出扭矩逐渐变得更高的I_d和I_q的组合。虽然沿着这些曲线中的每条曲线的每个点产生相同的输出扭矩，但是I_d和I_q的一些组合与其他组合相比将与更高的损失相关。线218表示对于每个扭矩水平来说最高效的操作点。然而，并非总是可以在这种条件下操作。点220表示当转子以特定速度旋转时将由转子中的永磁体在绕组中感应出的电流。由逆变器施加的电压改变这种条件下的绕组电流。曲线222表示在特定的转子速度和总线电压电平时，可由逆变器实现的条件的边界。在更高的总线电压或更低的转子速度时，边界扩张，如由虚线224所示出的。

发明内容

在第一实施例中，公开了一种操作逆变器以控制电机的扭矩输出的方法。所述方法通过将电机的转子速度除以电总线的电压来计算归一化速度。基于归一化速度和扭矩请求计算扭矩确定设定值。例如，扭矩确定设定值可以是如在六步扭矩控制中使用的目标电压相位角。可选地，作为另一示例，扭矩确定设定值可以是如在PWM扭矩控制中使用的绕组电流的直流分量和正交分量。可使用表查找计算扭矩确定设定值。

在另一实施例中，一种车辆包括逆变器、诸如永磁同步电动机的电机和控制器。逆变器连接到电总线的DC端子和电机的AC端子。控制器被配置成向逆变器发出命令，以控制电机中的含直流分量和正交分量的绕组电流。在磁场削弱区域中对于给定的扭矩来说，当速度和电压根据速度与电压的恒定比值改变时，所述直流分量和正交分量大致恒定。例如，对于电动机的每个电循环，控制器可命令逆变器在六个非零逆变器状态之间循环。可选地，作为另一示例，控制器可命令逆变器在逆变器状态之间切换，从而将指定的百分比的时间花费在特定状态上。在一些实施例中，电总线的电压可由DC-DC转换器调节，DC-DC转换器建立与电池的电压不同的总线电压。

在另一实施例中，一种车辆包括逆变器、诸如永磁同步电动机的电机和控制器。逆变器通过三个AC端子连接到电机并通过两个DC端子连接到电总线。逆变器被配置成提供六个状态，在所述六个状态下，每个AC端子连接到一个DC端子，至少一个AC端子连接到每个DC端子。每经历一个转子电循环，控制器就命令逆变器在这六个状态之间循环一次。逆变器切换状态时的转子位置限定相位角。对于给定的扭矩请求，当转子速度和总线电压根据转子速度与总线电压的恒定比值改变时，相位角大致恒定。在一些实施例中，电总线的电压可由DC-DC转换器调节，DC-DC转换器建立与电池的电压不同的总线电压。

一种车辆包括：逆变器，具有AC端子和DC端子，并在DC端子之间具有总线电压，逆变器被配置成将每个AC端子电连接到一个DC端子，从而提供六个状态，在所述六个状态下，至少一个AC端子电连接到每个DC端子；电机，连接到AC端子，电机具有转子位置和转子速度；控制器，被配置成基于请求的转子扭矩、总线电压、转子速度和转子位置而向逆变器发出命令，使得：(i)每经历一个转子位置周期，逆变器就在所述六个状态之间循环一次，(ii)当转子位置等于相位角时，逆变器在所述六个状态中的第一状态和所述六个状态中的第二状态之间改变，(iii)对于给定的扭矩请求来说，当转子速度和总线电压根据转子速度与总线电压的恒定比值改变时，相位角大致恒定。

电机是同步电动机。

电机是永磁同步电动机。

所述车辆还包括：电池；DC-DC转换器，电连接到电池和DC端子两者。

一种操作逆变器的方法，所述逆变器连接到具有总线电压的总线且还连接到具有转子速度的电机，所述方法包括：接收扭矩请求；通过将转子速度除以总线电压来计算归一化速度；基于归一化速度和扭矩请求计算至少一个扭矩确定设定值；基于所述至少一个扭矩确定设定值向逆变器发出命令。

所述至少一个扭矩确定设定值包括电压相位角。

基于所述至少一个扭矩确定设定值发出命令的步骤包括：当转子位置等于电压相位角时，命令逆变器改变状态。

所述至少一个扭矩确定设定值包括两个标量，所述两个标量表征在参考系中相对于转子位置的目标绕组电流。

基于所述至少一个扭矩确定设定值发出命令的步骤包括：测量在参考系中相对于转子位置的实际绕组电流；基于实际绕组电流和目标绕组电流之间的差异计算误差项；基于误差项调节目标电压；基于转子位置和目标电压计算脉冲宽度调制占空比；基于所述占空比命令逆变器在所述状态之间切换。

计算至少一个扭矩确定设定值的步骤包括：在表中查找值。

附图说明

图1是永磁同步电动机在转子速度和转子扭矩方面的一般特性的曲线图；

图2是永磁同步电动机在绕组电流的直流分量和正交分量方面的一般特性的曲线图；

图3是示例性混合动力电动车辆的动力传动系的示意图；

图4是示例性混合动力电动车辆的动力传动系中的控制器简图；

图5是用于永磁同步电动机的控制方法的流程图；

图6是用于确定哪种控制算法(六步或PWM)应该被用于设置电动机扭矩的流程图；

图7是用于使用六步控制来确定逆变器状态的流程图；

图8是用于使用PWM控制来确定逆变器状态和占空比的流程图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应该理解到，公开的实施例仅仅是示例，其他实施例可采用各种和可选的形式。附图不一定按照比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不应该被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一幅图示出和描述的各个特征可与在一幅或多幅其他附图中示出的特征相结合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定应用或实施方式。

在图3中示出了示例性混合动力电动车辆的动力传动系的示意图。然而，要求保护的发明不限于该动力传动系结构。内燃发动机310驱动行星齿轮组314的行星架312。通过行星齿轮组314在太阳齿轮316和齿圈318之间分配发动机扭矩。齿圈的扭矩机械地传递到输出轴320。太阳齿轮的扭矩被发电机322吸收。电动机324可驱动地连接到输出轴320。在这整个描述中，术语“发电机”和“电动机”仅用作标签，以识别这些部件。发电机322和电动机324均是既能够将机械轴功率转换成电功率又能够将电功率转换成机械轴功率的可逆电机。针对于电动机描述控制方法，但是所述控制方法可同样适用于发电机。驱动轴可驱动地连接到差速器326，差速器326在左车轮和右车轮328之间分配功率，同时允许车轮速度稍有差异。电功率连接由具有长划的虚线示出。发电机322由逆变器330通过三相功率电路电驱动，电动机324由逆变器332通过三相功率电路电驱动。逆变器330和332从DC电总线334获取功率或者将功率供应到DC电总线334。电功率储存在电池336中。DC-DC转换器338将电池336的电压电平转换成DC电总线334的电压电平。DC电总线的电压可以高于或低于电池的电压。控制信号连接由具有短划的虚线示出。控制器340向DC-DC转换器338发出指定DC电总线334的期望电压的控制信号。控制器340还向发动机310以及逆变器330和332发出控制命令，以调节分别由发动机310、发电机322和电动机324产生的扭矩。如果由电动机324实际传递的扭矩明显不同于请求的扭矩，则车辆的加速度将与驾驶员的期望不匹配。如果由发电机322实际传递的扭矩明显不同于请求的扭矩，则发动机速度将偏离期望的行为。

在图4中示意性地示出了控制器340的更多细节。车辆系统控制器410接收指示车辆速度、加速踏板位置、制动踏板位置和各种其他车辆数据的信号。基于该数据，车辆系统控制器410确定目标DC总线电压和目标输出轴扭矩，并向发动机控制器412发出扭矩请求T_{req_eng}，向发电机控制器414发出扭矩请求T_{req_gen}，向电动机控制器416发出扭矩请求T_{req_mot}。发电机控制器414的输出是针对于逆变器330内的开关的开关状态，电动机控制器416的输出是针对于逆变器332内的开关的开关状态。这些控制器接收指示对应转子的角位置(标记为Θ_R)、DC总线334的电压(标记为V_dc)以及每个绕组中的电流(标记为I_a、I_b和I_c)的输入信号。可变电压控制器418向DC-DC转换器338发出命令，以实现目标总线电压。控制器410、412、414、416和418可实施为单个微控制器或通信的多个控制器。

已知两种基本的控制方法用于在逆变器状态之间进行切换，以调节PMSM的扭矩输出。在六步法中，每经历一个转子周期，逆变器就循环通过六个非零状态一次，从而在每个绕组中产生振荡电压和电流。转子周期相对于电动机的极进行限定，其不一定对应于周转(complete revolution)。AC电压的振幅由DC电压决定。扭矩由DC电压、转子速度以及这些准正弦AC电压信号与转子位置之间的相位差决定。控制器向逆变器发出指示何时切换到序列中的下一个状态的命令。在PWM方法中，逆变器在两个非零状态和一个零状态之间非常快速地切换。控制器通过指定脉冲宽度调制(PWM)占空比来指定应该花费在这三个状态中的每个状态上的时间百分比。控制器每隔一定时间更新这些占空比，使得更新的频率明显高于转子旋转的频率。

图5示出了针对于每次更新的计算。在510处，控制器通过将转子速度除以总线电压来计算归一化速度ω_Norm。在512处，控制器在必要时调节来自车辆系统控制器的扭矩请求，以确保对于当前的转子速度和总线电压来说请求的扭矩在电动机操作区域内。在514处，控制器基于调节后的扭矩请求和归一化速度在PWM控制法和六步控制法之间进行选择。如果选择六步模式，则在516处控制器基于六步法计算逆变器命令。如果选择PWM模式，则在518处控制器基于PWM法计算逆变器命令。

当扭矩需求和转子速度高且DC总线电压低时，优选六步法。对于低扭矩需求、低转子速度、高总线电压的条件，优选PWM法。图1中的线120指示在特定的参考电压时这些区域之间的示例性边界。在线120的右上方的区域中，优选六步法，而在线120的左下方的区域中，优选PWM法。虚线122示出了当总线电压增加时该边界如何移动。

控制器通常使用查找表来表示非线性函数，例如，六步区域和PWM区域之间的边界。由于转换扭矩是转子速度ω和总线电压V_dc两者的函数，所以通常将使用多维查找表(例如表1)。如果独立变量(在这种情况下为转子速度ω和总线电压V_dc)中的任意一个变量落在表所列出的值之间，则控制器可选择相邻的值中的一个值或者在相邻的值之间插值。对于非线性函数来说，插值相对于底层函数引入一些误差。通常，在车辆校准期间基于实验数据填充查找表。填充该表需要在各种电压电平处进行实验。使用大量不同的电压电平减小了近似误差，但是增加了填充该表所需要的工作、由该表消耗的控制器存储器以及查找值所需要的时间。

表1

作为使用多维查找表的替代方式，使用如在图5中的510处计算的单个独立变量ω_Norm。表2示出了转换扭矩与归一化速度对比的表。使用含单个独立变量的表减小了近似误差和校准工作。单个独立变量查找表可用于改善PMSM性能同时减少使用的控制器存储器。

表2

图6示出了在图5中的514处使用的用于确定哪种控制算法(六步或PWM)应该被用于设置电动机扭矩的方法。校准表存储归一化速度ω_Norm的两个函数。第一个表T_{lo_pos}略小于理想转换扭矩，而第二个表T_{hi_pos}略大于理想转换扭矩。当操作点从T_{lo_pos}之上改变成T_{lo_pos}之下时，模式从六步改变成PWM。类似地，当操作点从T_{hi_pos}之下改变成T_{hi_pos}之上时，模式从PWM改变成六步。如果操作点在这两个函数之间，则模式与之前的时间步长保持相同。这样的滞后避免了基于在边界附近操作时操作点的小改变而引起的模式改变。类似的表T_{lo_neg}和T_{hi_neg}表征负扭矩操作区域的模式边界。通过使用替代扭矩请求T_ref来调节负速度区域，当转子速度为正时，在610处T_ref被设置为等于T_{req_adj}，当转子速度为负时，在612处T_ref被设置为等于-T_{ref_adj}。如果在之前的更新期间控制器以六步模式操作，则在614处控制器查找在当前的归一化速度条件下的值。在616处，控制器确定操作点是否已经运动到正扭矩边界和负扭矩边界之间的区域中。如果是这样，则控制器转换到PWM模式，否则，控制器保持在六步模式。如果控制器之前以PWM模式操作，则在618处控制器查找在当前的归一化速度条件下的值。在620处，控制器确定操作点是否已经运动到正扭矩边界和负扭矩边界之间的区域之外。如果是这样，则控制器转换到六步模式，否则，控制器保持在PWM模式。

当使用多维表时，如果转子速度和总线电压改变，则即使转子速度与总线电压的比值保持恒定，模式转换阈值也将改变。因此，当所述速度和电压以恒定的比值改变且扭矩请求保持恒定时，有时将会发生模式转换。当使用图6的方法时，如果转子速度和总线电压改变同时转子速度与总线电压的比值保持恒定，则模式转换阈值将保持恒定。因此，在扭矩请求恒定且速度与电压的比值恒定时，将不会发生模式转换。

在六步模式下，绕组电流的分量I_d和I_q位于曲线(例如，图2中的曲线222或224)上。所述曲线由总线电压V_dc和转子速度ω确定。沿着曲线的位置由电压角Θ_V确定。控制器通过调节控制器将逆变器切换到下一个非零逆变器状态的时间来调节Θ_V。目标电压角Θ^* _V是调节后的扭矩请求、转子速度和总线电压的非线性函数。通常，多个参数的非线性函数在控制器中由多维表表示。当独立参数的实际值落在表所列出的值之间时，控制器可使用较大的值，可使用较小的值或者可在较大的值和较小的值之间插值。这些选择中的每个选择均将误差引入Θ^* _V，这导致电动机扭矩偏离调节后的扭矩请求。例如，如果转子速度和总线电压改变同时转子速度与总线电压的比值保持恒定，则Θ^* _V和电动机扭矩输出将改变。

图7示出了使用仅含两个独立参数(调节后的扭矩请求和归一化速度ω_Norm)的表计算Θ^* _V的方法。在校准期间基于测试填充该表，以表征电动机。校准期间的测试可发生在总线电压不同于当前的总线电压时。对于正转子速度，在710处通过单表查找确定目标电压角。对于负转子速度，控制器依赖于电动机行为的对称性，在712处查找针对于对应的正速度操作点的目标电压角并在714处针对于负速度操作点调节该目标电压角。归因于状态切换的临界时间，通过响应于中断的函数来执行切换。每当转子经过参考位置时，便在716处发生第一次中断。在718处，中断处理程序基于Θ^* _V和转子速度ω计算应该发生状态改变的时间，并设置计时器。当该计时器计时到期时，在720处发生第二次中断。在722处，中断处理程序向逆变器发出命令，以切换到下一个非零状态。当使用图7的方法时，如果转子速度和总线电压改变同时转子速度与总线电压的比值保持恒定，则Θ^* _V将保持恒定。

在PWM模式下，绕组电流的分量I_d和I_q位于以诸如图2中的曲线222或224的曲线为边界的区域中。正如六步法，曲线由总线电压V_dc和转子速度ω确定，但是对于特定的V_dc和ω来说，曲线可能稍微在六步曲线之内。控制器通过使用闭环控制调节V_d和V_q来调节I_d和I_q。然后，控制器基于转子位置Θ_R将V_d和V_q转换成至逆变器的PWM占空比命令。

绕组电流的目标分量I^* _d和I^* _q是调节后的扭矩请求、转子速度和总线电压的非线性函数。在低扭矩请求、低速度和高总线电压时，沿着图2中的线218选择I^* _d和I^* _q，以获得最高效的操作。在该区域，I^* _d和I^* _q对于总线电压或转子速度的小改变不敏感。然而，在高扭矩请求、高速度和低总线电压时，不可能沿着线218进行操作。可获得的最高效的操作点沿着诸如222的曲线，该曲线表示在当前的转子速度和总线电压时操作区域的边界。该操作区域被称为磁场削弱区域。在磁场削弱区域，I^* _d和I^* _q对于总线电压或转子速度的改变均敏感。此外，I^* _d和I^* _q之间的关系较为重要。

正如电压角，通常，I^* _d和I^* _q在控制器中将由多维表表示。当总线电压的实际值落在表所列出的值之间时，保守的方法将会使用表所列出的值中的较小的值。这会导致产生这样的I^* _d和I^* _q的组合，该组合产生请求的扭矩但是恰好落在以曲线222为边界的区域之内，因此导致低效率的操作。如果使用插值，则所产生的I^* _d和I^* _q的组合可能不能产生请求的扭矩。此外，可能需要适当地校准表，以确保所产生的点落在曲线222内，从而产生折衷的效率。在任一方法中，如果转子速度和总线电压改变同时转子速度与总线电压的比值保持恒定，则I^* _d和I^* _q将改变。

图8示出了使用仅含两个独立参数(调节后的扭矩请求和归一化速度ω_Norm)的表计算I^* _d和I^* _q的方法。对于正转子速度，在810处，控制器在表中查找I^* _d和I^* _q。对于负转子速度，控制器在812处基于相反方向的扭矩查找值，然后在814处改变I^* _q的符号。接下来，在816处，控制器以I_d和I_q的测量值为反馈信号使用闭环控制来计算旋转参考系中的电压V_d和V_q。当V_d和V_q的矢量和的大小接近V_dc时，可能需要过调制(在818处)，以传递请求的扭矩。在820处，V_d和V_q基于转子位置Θ_R被转换到静止参考系。六个非零逆变器状态中的每个对应于静止参考系中的矢量。这些矢量将空间分成6个60°的扇区。在822处，控制器选择与限定转换后的V_d、V_q电压矢量的边界的两个矢量对应的两个非零逆变器状态。然后，控制器计算两个占空比，使得由相应的占空比加权的两个矢量之和等于转换后的V_d、V_q电压矢量。

虽然在上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意在描述了权利要求所包含的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被结合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。虽然各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或多个期望的特性方面优于其他实施例或现有技术的实施方式，但是本领域的普通技术人员应该认识到，一个或多个特点或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或多个特性方面不如其他实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (8)

1.一种车辆，包括：

逆变器，具有AC端子和DC端子，并在DC端子之间具有电压；

电机，连接到AC端子，电机具有扭矩、速度以及含直流分量和正交分量的绕组电流；

控制器，被配置成向逆变器发出命令，使得在磁场削弱操作区域中对于给定的扭矩来说，当所述速度和所述电压根据速度与电压的恒定比值改变时，所述直流分量和所述正交分量大致恒定。

2.根据权利要求1所述的车辆，其中，逆变器被配置成将每个AC端子电连接到任意一个DC端子，从而提供两个零状态和六个非零状态，在所述零状态下，所有的AC端子均电连接到相同的DC端子，在所述非零状态下，至少一个AC端子电连接到每个DC端子。

3.根据权利要求2所述的车辆，其中，每经历一个转子位置周期，就命令逆变器在所述六个非零状态之间循环一次。

4.根据权利要求2所述的车辆，其中，命令逆变器在所述状态之间切换，从而将指定的第一百分比的时间花费在第一非零状态上以及将指定的第二百分比的时间花费在第二非零状态上。

5.根据权利要求4所述的车辆，其中，还命令逆变器将剩余百分比的时间花费在一个零状态上。

6.根据权利要求1所述的车辆，其中，电机是同步电动机。

7.根据权利要求6所述的车辆，其中，电机是永磁同步电动机。

8.根据权利要求1所述的车辆，所述车辆还包括：

电池；

DC-DC转换器，电连接到电池和DC端子两者。

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