CN107834926A - 一种基于电压模型的主动阻尼***及主动阻尼方法 - Google Patents

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朱赟俊
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Abstract

本发明公开了一种基于电压模型的主动阻尼***及主动阻尼方法，所述主动阻尼***由VCU、主动阻尼单元、FOC、SVPWM、直流电源、IGBT模块、整车电机M和电流电压检测模块组成，所述主动阻尼单元包括磁通观测器、高通滤波器和扭矩合成模块。本发明主要针对现有主动阻尼方法使用速度传感器获取电机转速带来的问题，通过使用电压模型的磁链观测器来获取电机转速，由于不需要速度传感器，不但减少了整车复杂度和成本，而且解决了获取速度所需要的环境和安装问题，提高了速度获取的可靠性和方便性。

Description

一种基于电压模型的主动阻尼***及主动阻尼方法
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，特别涉及一种基于电压模型的主动阻尼***及主动阻尼方法。
背景技术
电动汽车和动力总成的振动噪音问题有很多方面，如电磁噪音、齿轮啸叫、轴承噪音等等，其中最复杂的为传动***扭转振动问题，主要故障特征为加速共振、启动抖动和齿轮拍击，表现出来的不平稳、不顺畅、顿挫感和抖动等问题影响着用户体验。目前可用主动阻尼的方法解决这一问题，一般的主动阻尼方法采用速度传感器获取电机转速，但使用速度传感器检测电机转速，一方面增加***的复杂程度和体积，使得***的成本增加，另一方面速度传感器对环境要求高，在很多恶劣的环境下，如高温、潮湿等，使得电机转速检测不准确。除此之外，在某些场合不容许安装速度传感器。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够减少整车复杂度和成本，而且解决获取速度所需要的环境和安装问题，提高速度获取可靠性和方便性的基于电压模型的主动阻尼***及主动阻尼方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一种基于电压模型的主动阻尼***，其特征在于：所述主动阻尼***由VCU、主动阻尼单元、FOC、SVPWM、直流电源、IGBT模块、整车电机M和电流电压检测模块组成，所述主动阻尼单元包括磁通观测器、高通滤波器和扭矩合成模块；
所述VCU用于发出给定转矩Te；
所述磁通观测器用于得到电机实际转速n；
所述所述高通滤波器用于输出电机偏差转速△n；
所述扭矩合成模块用于对给定转矩与主动阻尼产生的偏差转矩△Te合成得到指令转矩Te*；
所述FOC用于得到指定电压U*V*W*；
所述SVPWM用于向IGBT模块发出6路变化的PWM波；
所述直流电源通过6路PWM波控制的IGBT模块逆变成三相交流电压UWV去控制整车电机M。
一种基于电压模型的主动阻尼***的主动阻尼方法，其特征在于：VCU根据驾驶员加速踏板命令发出给定转矩Te，根据检测出的电机电压和电流通过磁链观测器得出电机实际转速n，实际转速通过高通滤波器输出电机偏差转速△n，根据△n得到当电机转速波动时增加在电机转速波动相反方向的偏差转矩△Te，给定转矩与主动阻尼产生的偏差转矩△Te合成得到指令转矩Te*，指令转矩Te*和通过检测电机电流得到的反馈转矩参与FOC控制，FOC根据参与控制的转矩得到指令电压U*V*W*，指令电压经过SVPWM变化发出6路PWM波，直流电源通过6路PWM控制的IGBT模块逆变成三相交流电压UWV去控制整车电机。
本发明所述的基于电压模型的主动阻尼***的主动阻尼方法，其所述磁通观测器通过监测到的电压电流信号得到电机实际转速n，其具体的计算方法是：
定子磁链的表达式为：
令E＝u—iR，上式可写成为：
对上式进行改写：
上式中，ψs为定子磁链，关于电机的表述中用下标S表示电机定子；u为定子电压；R为定子电阻；i为定子电流；E为反电动势；ωc为低通滤波的截止频率；
从上面的表达式可以看出第一部分为反电动势E的低通滤波，第二部分中E/S是定子磁链，最终磁链观测输出结果由两个低通滤波之和决定，而截止频率的大小决定了不同频率下这两个部分的比重；
根据定子磁链和电机转速的关系可得电机转速n：
n＝9.55ω
上式中，ψsα为定子α轴磁链；ψsβ为定子β轴磁链；θ为定子磁链空间位置角；ω为电机角速度；n为电机转速。
本发明所述的基于电压模型的主动阻尼***的主动阻尼方法，其所述实际转速通过高通滤波器输出电机偏差转速△n，根据△n得到偏差转矩△Te，通过扭矩合成模块合成指令转矩Te*的具体计算方法是：
设定高通滤波器截止频率为ω1，当电机转速变化频率大于ω1时高通滤波输出电机偏差转速△n，当电机转速变化频率小于ω1时高通滤波器忽略电机转速变化，得到的通过高通滤波器后的电机偏差转速△n；
根据△n可得偏差转矩△Te：
△Te＝kp·△n
因此可得指令转矩Te*：
Te*＝Te-△Te
上式中，kp为可设比例系数；
当电机转速波动到一定频率时，向电机转速波动相反的方向增加一个偏差转矩△Te，此时指令转矩由VCU发出的给定转矩变为波动转矩。
本发明主要针对现有主动阻尼方法使用速度传感器获取电机转速带来的问题，通过使用电压模型的磁链观测器来获取电机转速，由于不需要速度传感器，不但减少了整车复杂度和成本，而且解决了获取速度所需要的环境和安装问题，提高了速度获取的可靠性和方便性。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明中电机转速实际波形图。
图3是本发明中高通滤波器输出电机偏差转速图。
附图标记：1为VCU，2为主动阻尼单元，3为FOC，4为SVPWM，5为直流电源，6为IGBT模块，7为整车电机M，8为电流电压检测模块，9为磁通观测器，10为高通滤波器，11为扭矩合成模块。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于电压模型的主动阻尼***，所述主动阻尼***由VCU1(整车控制器，Vehicle Control Unit)、主动阻尼单元2、FOC3(按转子磁场定向矢量控制，FluxOrientation Control)、SVPWM4(空间矢量脉宽调制，Space Vector Pulse WidthModulation)、直流电源5、IGBT模块6(绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate BipolarTransistor)、整车电机M7和电流电压检测模块8组成，所述主动阻尼单元包括磁通观测器9、高通滤波器10和扭矩合成模块11。
所述VCU用于发出给定转矩Te；
所述磁通观测器用于得到电机实际转速n；
所述所述高通滤波器用于输出电机偏差转速△n；
所述扭矩合成模块用于对给定转矩与主动阻尼产生的偏差转矩△Te合成得到指令转矩Te*；
所述FOC用于得到指定电压U*V*W*；
所述SVPWM用于向IGBT模块发出6路变化的PWM波；
所述直流电源通过6路PWM波控制的IGBT模块逆变成三相交流电压UWV去控制整车电机M。
一种如上述基于电压模型的主动阻尼***的主动阻尼方法，具体为：VCU根据驾驶员加速踏板命令发出给定转矩Te，根据检测出的电机电压和电流通过磁链观测器得出电机实际转速n，实际转速通过高通滤波器输出电机偏差转速△n，根据△n得到当电机转速波动时增加在电机转速波动相反方向的偏差转矩△Te，给定转矩与主动阻尼产生的偏差转矩△Te合成得到指令转矩Te*，指令转矩Te*和通过检测电机电流得到的反馈转矩参与FOC控制，FOC根据参与控制的转矩得到指令电压U*V*W*，指令电压经过SVPWM变化发出6路PWM波，直流电源通过6路PWM控制的IGBT模块逆变成三相交流电压UWV去控制整车电机。其结果使得转矩指令发生波动，这种波动产生的振动响应刚好和原来的抖动相互抵消，因此电机转速和整车转速更加平稳了。本发明的主动阻尼方法解决了由于使用速度传感器带来的问题，不但减少了整车复杂度和成本，而且提高了速度获取的可靠性和方便性。
其中，所述磁通观测器通过监测到的电压电流信号得到电机实际转速n，传统的电压模型磁通观测器是对定子反电势进行积分，通过积分运算得到定子磁链，该算法实现简单，但存在一系列问题：首先采样信号中带有的直流分量会不断累加造成积分结果出现漂移至饱和；其二，积分运算还存在初始值设置的问题。在电机低速时，由于电机输出电压较小，零漂等采样干扰会严重影响电压模型的正常工作，使得***低速性能较差。为此，需要对磁通观测器做一些有针对性的改善。
本发明的具体的计算方法是：
定子磁链的表达式为：
令E＝u—iR，上式可写成为：
对上式进行改写：
上式中，ψs为定子磁链，关于电机的表述中用下标S表示电机定子；u为定子电压；R为定子电阻；i为定子电流；E为反电动势；ωc为低通滤波的截止频率。
从上面的表达式可以看出第一部分为反电动势E的低通滤波，第二部分中E/S是定子磁链，因此这部分高通滤波可以化做对定子磁链进行低通滤波环节。最终磁链观测输出结果由两个低通滤波之和决定，而截止频率的大小决定了不同频率下这两个部分的比重，在实际应用中需要通过合理设置截止频率，使得这两部分之和在全速域内稳定性相对较好，保证在全速域内稳定的运行。
根据定子磁链和电机转速的关系可得电机转速n：
n＝9.55ω
上式中，ψsα为定子α轴磁链；ψsβ为定子β轴磁链；θ为定子磁链空间位置角；ω为电机角速度；n为电机转速。
所述实际转速通过高通滤波器输出电机偏差转速△n，根据△n得到偏差转矩△Te，通过扭矩合成模块合成指令转矩Te*的具体计算方法是：
如图2所示，设定高通滤波器截止频率为ω1，当电机转速变化频率大于ω1时高通滤波输出电机偏差转速△n，当电机转速变化频率小于ω1时高通滤波器忽略电机转速变化，得到的通过高通滤波器后的电机偏差转速△n，如图3所示。
根据△n可得偏差转矩△Te：
△Te＝kp·△n
因此可得指令转矩Te*：
Te*＝Te-△Te
上式中，kp为可设比例系数，kp是根据经验人为设定的系数。
当电机转速波动到一定频率时，向电机转速波动相反的方向增加一个偏差转矩△Te，此时指令转矩由VCU发出的给定转矩变为波动转矩，但整车速度平稳了。
本发明通过增加主动阻尼使得指令转矩主动发生波动，由原来给定的转矩变成波动的转矩，这种波动产生的振动响应刚好和原来的抖动是相互抵消的，如此叠加之后的振动响应反而更加平稳了，因此解决了传动***扭矩振动问题。相比一般的主动阻尼方法使用速度传感器检测速度，本发明的主动阻尼方法使用磁通观测器获取电机转速，不但减低了***的复杂程度和体积，使得***的成本减少，而且解决了由于速度传感器对环境要求高，在很多恶劣的环境下电机转速检测不准确的问题和在某些场合不容许安装速度传感器的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电压模型的主动阻尼***，其特征在于：所述主动阻尼***由VCU、主动阻尼单元、FOC、SVPWM、直流电源、IGBT模块、整车电机M和电流电压检测模块组成，所述主动阻尼单元包括磁通观测器、高通滤波器和扭矩合成模块；
所述VCU用于发出给定转矩Te；
所述磁通观测器用于得到电机实际转速n；
所述所述高通滤波器用于输出电机偏差转速△n；
所述扭矩合成模块用于对给定转矩与主动阻尼产生的偏差转矩△Te合成得到指令转矩Te*；
所述FOC用于得到指定电压U*V*W*；
所述SVPWM用于向IGBT模块发出6路变化的PWM波；
所述直流电源通过6路PWM波控制的IGBT模块逆变成三相交流电压UWV去控制整车电机M。
2.一种如权利要求1所述的基于电压模型的主动阻尼***的主动阻尼方法，其特征在于：VCU根据驾驶员加速踏板命令发出给定转矩Te，根据检测出的电机电压和电流通过磁链观测器得出电机实际转速n，实际转速通过高通滤波器输出电机偏差转速△n，根据△n得到当电机转速波动时增加在电机转速波动相反方向的偏差转矩△Te，给定转矩与主动阻尼产生的偏差转矩△Te合成得到指令转矩Te*，指令转矩Te*和通过检测电机电流得到的反馈转矩参与FOC控制，FOC根据参与控制的转矩得到指令电压U*V*W*，指令电压经过SVPWM变化发出6路PWM波，直流电源通过6路PWM控制的IGBT模块逆变成三相交流电压UWV去控制整车电机。
3.根据权利要求2所述的基于电压模型的主动阻尼***的主动阻尼方法，其特征在于：所述磁通观测器通过监测到的电压电流信号得到电机实际转速n，其具体的计算方法是：
定子磁链的表达式为：
令E＝u—iR，上式可写成为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>E</mi> <mi>S</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>S</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> <mi>E</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>S</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> <mi>S</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>S</mi> <mi>E</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>S</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> <mi>S</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>S</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> <mi>S</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
对上式进行改写：
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上式中，ψs为定子磁链，关于电机的表述中用下标S表示电机定子；u为定子电压；R为定子电阻；i为定子电流；E为反电动势；ωc为低通滤波的截止频率；
从上面的表达式可以看出第一部分为反电动势E的低通滤波，第二部分中E/S是定子磁链，最终磁链观测输出结果由两个低通滤波之和决定，而截止频率的大小决定了不同频率下这两个部分的比重；
根据定子磁链和电机转速的关系可得电机转速n：
<mrow> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;psi;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;psi;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow>
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n＝9.55ω
上式中，ψsα为定子α轴磁链；ψsβ为定子β轴磁链；θ为定子磁链空间位置角；ω为电机角速度；n为电机转速。
4.根据权利要求2所述的基于电压模型的主动阻尼***的主动阻尼方法，其特征在于：所述实际转速通过高通滤波器输出电机偏差转速△n，根据△n得到偏差转矩△Te，通过扭矩合成模块合成指令转矩Te*的具体计算方法是：
设定高通滤波器截止频率为ω1，当电机转速变化频率大于ω1时高通滤波输出电机偏差转速△n，当电机转速变化频率小于ω1时高通滤波器忽略电机转速变化，得到的通过高通滤波器后的电机偏差转速△n；
根据△n可得偏差转矩△Te：
△Te＝kp·△n
因此可得指令转矩Te*：
Te*＝Te-△Te
上式中，kp为可设比例系数；
当电机转速波动到一定频率时，向电机转速波动相反的方向增加一个偏差转矩△Te，此时指令转矩由VCU发出的给定转矩变为波动转矩。
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