CN103085680B - 新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，一旦电机控制器判断出永磁同步电机处于堵转工况，则采用虚拟的电机位置信号作为电机控制器的输入，以使电机控制器向永磁同步电机输出正弦电流；直至电机控制器判断出永磁同步电机不再为堵转工况，则放弃以虚拟的电机位置信号作为电机控制器的输入。本申请可使永磁同步电机在电机堵转工况下的输出力矩达到或接近于非堵转工况下的最大力矩，从而可以满足车辆在驻坡启动或驱动轮被障碍物堵住情况下短暂的大力矩需要，既可使车辆克服阻力，也能让永磁同步电机跳出堵转状态。

Description

新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法

技术领域

本申请涉及一种新能源汽车（纯电动汽车、或混合动力汽车中纯电动驱动模式）的电机控制方法，特别是涉及在电机堵转工况下的控制方法。

背景技术

请参阅图1，这是新能源汽车中的电机驱动***，包括高压电池10、电机控制器20和永磁同步电机30。

高压电池10向电机控制器20输出高压直流电流以提供能量。高压电池10也可以从电机控制器20获得输入的高压直流电流以充电。

电机控制器20的直流端与高压电池10相连，交流端与永磁同步电机30的三相交流电端口相连，起到驱动永磁同步电机30输出扭矩与功率，以及反馈永磁同步电机30的制动能量的作用。常见的电机控制器20采用三相桥式逆变器，由支撑电容C和三个桥臂并联组成。每个桥臂由两个功率开关器件串联组成，每个功率开关器件还反向并联一个二极管。常用的功率开关器件包括IGBT器件、MOS管等。

永磁同步电机30的机械输出轴与电动汽车的传动***相连，为电动汽车输出扭矩与功率。当永磁同步电机30被高速拖动时，也反过来生成三相交流电。

新能源汽车通常采用永磁同步电机30作为驱动***，电机控制器20通常采用基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的控制技术。在永磁同步电机30的转速大于某值（由于永磁同步电机30的转速由电机控制器20输出电流的基频频率决定，该条件也可转换为电机控制器20输出电流的基频频率大于例如20Hz）时，电机控制器20通过三个桥臂的六个功率开关器件轮换导通输出正弦电流。当车辆驻坡启动或驱动轮被障碍物堵住导致电机堵转时称为电机堵转工况，此时电机控制器20通过特定的功率开关器件导通后输出直流电流，永磁同步电机30的输出力矩因此恒定。

在电机堵转工况下，电机控制器20的电流输出能力受限于功率开关器件的电流导通能力。由于功率开关器件的电流导通能力通常较低，从而导致在电机堵转工况下永磁同步电机30的输出力矩达不到驱动整车爬坡或越过障碍物的要求。

通常，电机控制器20在检测到永磁同步电机30处于堵转状态时，出于保护功率开关器件的目的会主动对永磁同步电机30的输出力矩进行限制，这进一步降低了车辆爬坡或跨越障碍物的能力。

针对电机堵转工况，目前通用的做法是通过提高功率开关器件的电流导通能力来增大永磁同步电机30的输出力矩大小，而这会带来成本的较大提升。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是针对新能源汽车的电机堵转工况，提供一种电机控制方法，可以有效地提升永磁同步电机的输出力矩，从而驱动整车爬坡或越过障碍物。

为解决上述技术问题，本申请新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法为：一旦电机控制器判断出永磁同步电机处于堵转工况，则采用虚拟的电机位置信号作为电机控制器的输入，以使电机控制器向永磁同步电机输出正弦电流；直至电机控制器判断出永磁同步电机不再为堵转工况，则放弃以虚拟的电机位置信号作为电机控制器的输入。

本申请可使永磁同步电机在电机堵转工况下的输出力矩达到或接近于非堵转工况下的最大力矩，从而可以满足车辆在驻坡启动或驱动轮被障碍物堵住情况下短暂的大力矩需要，既可使车辆克服阻力，也能让永磁同步电机跳出堵转状态。

附图说明

图1是新能源汽车的电机驱动***的电路结构示意图；

图2是本申请新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法的流程图；

图3是本申请判断电机是否为堵转工况的方法的流程图；

图4是本申请的偏置信号与功率开关器件的温度之间的变化关系；

图5是本申请所述控制方法应用于永磁同步电机后的输出力矩。

图中附图标记说明：

10为高压电池；20为电机控制器；30为永磁同步电机。

具体实施方式

请参阅图2，本申请新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法为：一旦电机控制器判断出永磁同步电机处于堵转工况，则采用虚拟的电机位置信号作为电机控制器的输入，以使电机控制器向永磁同步电机输出正弦电流。直至电机控制器判断出永磁同步电机不再为堵转工况，则放弃以虚拟的电机位置信号作为电机控制器的输入。

请参阅图3，这是电机控制器判断永磁同步电机是否处于堵转工况的方法。其包括如下步骤：

第1步，电机控制器采集永磁同步电机的位置传感器信号，得到永磁同步电机的当前转速；

第2步，电机控制器采集永磁同步电机的三相电流传感器信号，得到永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c，再通过派克变换（Park'sTransformation）将定子的a、b、c三相电流i_a、i_b、i_c投影到随着转子旋转的直轴（d轴），交轴（q轴）与垂直于dq平面的零轴（0轴）上去，得到i_d、i_q。

所述派克变换的公式为：

其中的θ就是电机位置信号，是电机控制器的输入。

然后，电机控制器计算永磁同步电机的当前转矩TrqEm，计算公式如下：

$\mathrm{TrqEm}=3p\×[-(L_q-L_d)\×i_d+{\mathrm{\Ψ}}_f]\×i_q$

其中，p指永磁同步电机的极对数。L_d和i_d指dq0坐标系中d轴的电感和电流。L_q和i_q指dq0坐标系中q轴的电感和电流。Ψ_f指永磁同步电机的转子磁链。永磁同步电机的制造商会给出L_d、L_q、Ψ_f与i_d、i_q的关系，通常列表以供查询。因而，只要有i_d、i_q即可查表得到L_d、L_q、Ψ_f。

优选地，对于计算出来的永磁同步电机的转矩TrqEm，还可增加低通滤波器，以滤除掉无用的高频分量。

第3步，当永磁同步电机的当前转速＜第一阈值N0、同时永磁同步电机的当前转矩＞第二阈值T0时，电机控制器判断永磁同步电机处于堵转工况。否则，电机控制器判断永磁同步电机未处于堵转工况。

所述第一阈值N0、第二阈值T0可根据不同的永磁同步电机和电机控制器标定得到。在一个具体的实施例中，N0为10rpm，T0为100Nm。

本申请所述方法中，当电机控制器判断永磁同步电机未处于堵转工况，则以永磁同步电机的真实位置信号作为电机控制器进行派克变换的输入。所述真实位置信号由永磁同步电机的位置传感器检测得到，例如是旋转变压器，所得到的是以360°为周期的位置信号。

当电机控制器判断永磁同步电机处于堵转工况，则以虚拟的电机位置信号取代真实位置信号作为电机控制器进行派克变换的输入。所述虚拟位置信号为电机控制器刚刚判断永磁同步电机处于堵转工况时的真实的电机位置信号的基础上增加一个偏置信号，该偏置信号的计算方式预存在电机控制器中。

现有的电机控制器在检测到永磁同步电机处于堵转状态时，只有一个桥臂的功率开关器件输出电流，因而无法让永磁同步电机跳出堵转工况。本申请则采用虚拟的电机位置信号，使电机控制器的三个桥臂的功率开关器件协同工作，输出正弦电流，从而让永磁同步电机跳出堵转工况。

请参阅图4，这是本申请所述的虚拟的电机位置信号，其具有最小值θ_L和最大值θ_H。其中的θ_L表示电机控制器刚刚判断永磁同步电机处于堵转工况时的真实的电机位置信号，在θ_L的基础上起伏变化的部分表示偏置信号。θ_H表示永磁同步电机刚刚跳出堵转工况时的虚拟的电机位置信号。该偏置信号与电机控制器20中的三相桥式逆变器中的功率开关器件的温度密切相关，规则为：当功率开关器件的温度上升到T_H以上时，该虚拟位置信号开始严格单调递增；当功率开关器件的温度下降到T_L以下时，该虚拟位置信号开始严格单调递减。该偏置信号的最小值为0°，最大值为θ_H－θ_L；显然，θ_H－θ_L≤360°。

所述功率开关器件的实时温度由电机控制器20预测得到，可视为已知量。T_H表示功率开关器件所能允许的最高温度，T_L表示功率开关器件的温度区间的最低温度，两者均由标定得到。

图4中，虚拟的电机位置信号两次达到了最大值θ_H。这表明，处于对功率开关器件的温度保护的考虑，虚拟的电机位置信号达到最大值的时间可能比较短，在比较短的时间内永磁同步电机的输出力矩仍不足以克服车辆的阻力矩。在虚拟的电机位置信号一次或多次达到最大值后，总有一次达到最大值的时间足够长，以使永磁同步电机的输出力矩足以克服车辆的阻力矩。

请参阅图5，采用本申请所述控制方法后，当永磁同步电机的输出力矩增大到足够克服车辆阻力矩后，车轮转动，使永磁同步电机跳出堵转工况，进入正常模式。图5中的横坐标表示偏置信号的旋转角度，纵坐标表示永磁同步电机的输出力矩（即转矩、扭矩）。图5中的A点是电机控制器刚刚判断永磁同步电机处于堵转工况时，B点是采用本申请所述控制方法后永磁同步电机输出最大力矩时。通常，永磁同步电机所输出的最大力矩均能克服车辆的阻力矩。从A点到B点之间，当永磁同步电机所输出的力矩刚刚大于车辆的阻力矩时，即可使永磁同步电机跳出堵转工况。根据电机控制器刚刚判断永磁同步电机处于堵转工况时的真实电机位置信号的不同，偏置信号可能为正、或者为负，才能使永磁同步电机的输出力矩增大。图5中示例性地显示偏置信号为负，使得永磁同步电机的输出力矩增大。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，一旦电机控制器判断出永磁同步电机处于堵转工况，则采用虚拟的电机位置信号作为电机控制器的输入，以使电机控制器向永磁同步电机输出正弦电流；直至电机控制器判断出永磁同步电机不再为堵转工况，则放弃以虚拟的电机位置信号作为电机控制器的输入；其特征是，电机控制器判断永磁同步电机是否处于堵转工况包括如下步骤：

第1步，电机控制器采集永磁同步电机的位置传感器信号，得到永磁同步电机的当前转速；

第2步，电机控制器采集永磁同步电机的三相电流传感器信号，得到永磁同步电机的三相电流，计算得到永磁同步电机的当前转矩；

第3步，当永磁同步电机的当前转速＜第一阈值、同时永磁同步电机的当前转矩＞第二阈值时，电机控制器判断永磁同步电机处于堵转工况；否则，电机控制器判断永磁同步电机未处于堵转工况。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，其特征是，实施第2步时，永磁同步电机的当前转矩采用派克变换和计算得到。

3.根据权利要求2所述的新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，其特征是，所述第一阈值为10rpm，第二阈值为100Nm。

4.根据权利要求2所述的新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，其特征是，所述方法第2步中，计算出来的永磁同步电机的转矩还经过低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，其特征是，所述虚拟位置信号为电机控制器刚刚判断永磁同步电机处于堵转工况时的真实的电机位置信号的基础上增加一个偏置信号，该偏置信号的计算方式预存在电机控制器中。

6.根据权利要求5所述的新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，其特征是，所述的偏置信号与功率开关器件的温度的关系为：当功率开关器件的温度上升到T_H以上时，该偏置信号开始严格单调递增；当功率开关器件的温度下降到T_L以下时，该偏置信号开始严格单调递减。

7.根据权利要求5所述的新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，其特征是，根据电机控制器刚刚判断永磁同步电机处于堵转工况时的真实电机位置信号的不同，偏置信号为正、或者为负，以使永磁同步电机的输出力矩增大。

8.根据权利要求6所述的新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，其特征是，所述偏置信号的最小值为0°，最大值为θ_H－θ_L；θ_L表示电机控制器刚刚判断永磁同步电机处于堵转工况时的真实的电机位置信号，θ_H表示永磁同步电机刚刚跳出堵转工况时的虚拟的电机位置信号。

9.根据权利要求5所述的新能源汽车在电机堵转工况下的控制方法，其特征是，所述虚拟的电机位置信号在一次或多次达到最大值后，使永磁同步电机的输出力矩足以克服车辆的阻力矩，即使永磁同步电机跳出堵转工况。