CN108001297A - 一种三分支结构的汽车驱动电机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三分支结构的汽车驱动电机控制方法，包括以下步骤：计算电机转速；根据电机当前转速以及电池电压，对整车控制器发来的转矩指令进行调整，确保该转矩指令限制在电机的允许运行范围内；判断电池电量是否低于设定阈值，若是，则进入最大效率控制模式，若否，则判断电机转速和转矩是否处于边界区域，是则进入最大功率控制模式，否则进入最大转矩控制模式。本发明整合了最大转矩控制、最大效率控制和最大功率控制，形成三分支结构的电动汽车驱动电机控制方法，使得电动汽车能够在不同的运行工况下，采用不同的电机控制策略来管理其动力***，兼顾了汽车的动力性能和运行效率，工作稳定可靠。

Description

一种三分支结构的汽车驱动电机控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车驱动电机的控制方法，特别涉及一种三分支结构的汽车驱动电机控制方法。
背景技术
对于内置式永磁同步电机，它的气隙转矩方程可表述为其中P是磁极数；Is是定子电流矢量；β指Is与q-轴之间的电流矢量角；λf指永磁磁链。从上述方程可知，产生同样的气隙转矩有多种电流矢量可选择，这就构成了不同的电机转矩控制算法。其中，每安培电流最大扭矩控制(MTPA)能够在电机运行的恒转矩区用最小的电流产生最大的转矩输出。在汽车电机驱动应用中，MTPA控制策略能够使定子电流最大程度地产生气隙转矩，是通常情况下的优选算法。
MTPA控制策略虽然能够使得每安培电流产生最大转矩，却并不意味着电机运行在最高效率状态。在某些情况下，例如电动汽车的电池电量低于阈值时，电池的续航时间可能变得比电机的输出转矩更加重要。MTPA控制策略能够输出最大扭矩但并非一定是最大效率的原因在于MTPA算法仅优化了电机的铜损，而并未优化铁损。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种运行效率高、稳定可靠的三分支结构的汽车驱动电机控制方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种三分支结构的汽车驱动电机控制方法，包括以下步骤：
步骤一：电机控制器计算电机转速；
步骤二：电机控制器根据电机当前转速以及电池电压，对整车控制器发来的转矩指令进行调整，确保该转矩指令限制在电机的允许运行范围内；
步骤三：电机控制器判断电池电量是否低于设定阈值，若是，则进入步骤四，若否，则进入步骤五；
步骤四：电机控制器进入最大效率控制模式；
步骤五：电机控制器判断电机转速和转矩是否处于边界区域，若是，则进入最大功率控制模式，若否，则进入最大转矩控制模式。
上述三分支结构的汽车驱动电机控制方法，其特征在于：所述步骤一中，电机转速的计算公式为
其中ω编码器指从编码器读取的电机实时转速值，取其绝对值，Vdc指动力电池的输出电压；将电机转速的实时值与直流电压的比例称之为转速的标幺值，取其绝对值ω标幺值。
上述三分支结构的汽车驱动电机控制方法，其特征在于：所述步骤二中，转矩指令的调整是根据汽车的运行工况进行的，包括温度补偿、死区补偿、NVH补偿、阻转矩补偿、插补以及根据电池工况进行的功率限制，确保电机输出轴上准确得到指令转矩。
上述三分支结构的汽车驱动电机控制方法，其特征在于：所述步骤五中，转矩转速边界区域的确定是依据电机实时转速、转矩指令大小、电池电压确定的；当电机转速超出设定值、电池电压低于设定值或转矩指令大于设定值，都进入最大功率控制模式。
本发明的有益效果在于：本发明整合了最大转矩控制、最大效率控制和最大功率控制，形成三分支结构的电动汽车驱动电机控制方法，使得电动汽车能够在不同的运行工况下，采用不同的电机控制策略来管理其动力***，兼顾了汽车的动力性能和运行效率，工作稳定可靠。
附图说明
图1为本发明的控制流程图。
图2为本发明MTPA控制的电流曲线图。
图3为本发明最大效率控制与MTPA控制的电流对比图。
图4为图3中Q部位的放大图。
图5为三种控制模式在Idq电流平面上的分布示意图。
图6为本发明中转矩转速边界条件判断示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种三分支结构的汽车驱动电机控制方法，包括以下步骤：
步骤一：电机控制器计算电机转速；
这里的电机转速采用一种相对值的计算方法而不直接使用编码器绝对速度，计算公式为：其中ω编码器指从编码器读取的电机实时转速值，取其绝对值用于计算，Vdc指动力电池的输出电压；将电机转速的实时值与直流电压的比例称之为转速的标幺值，取其绝对值ω标幺值用于后面的控制算法。
步骤二：电机控制器根据电机当前转速的标幺值ω标幺值的大小，对整车控制器发来的转矩指令进行调整，确保该转矩指令限制在电机的允许运行范围内；
这里进行的转矩指令的调整是根据汽车的运行工况进行的，包括温度补偿、死区补偿、NVH补偿、阻转矩补偿、插补等内容，以及根据电池工况进行的功率限制等，确保电机输出轴上能够准确得到指令转矩。
步骤三：电机控制器判断电池电量是否低于设定阈值，若是，则进入步骤四，若否，则进入步骤五；
步骤四：电机控制器进入最大效率控制模式；
最大效率控制模式的运行曲线在Id-Iq坐标轴下如图5所示，其在控制过程中其所取控制电流Id、Iq介于MTPA和最大功率模式之间。曲线上各运行点的Id、Iq电流值是通过离线标定的办法确定的。
步骤五：电机控制器判断电机转速和转矩是否处于边界区域，若是，则进入最大功率控制模式，若否，则进入最大转矩控制模式。
转矩转速边界区域的确定是依据电机实时转速、转矩指令大小、电池电压以及汽车的运行工况综合确定的。当电机转速超出设定值、电池电压低于设定值或转矩指令大于设定值，将触发最大功率控制模式。以转速转矩边界为例，如图6所示，电机处于某一转速，当此时经过各种处理后的合成转矩指令超过图中所查询到的边界值时，便进入功率控制模式；反之，当某一转速下，转矩指令降到边界区域以内时，电机便进入最大转矩控制模式。注意此处的边界值仅为示意，并不表示实际应用中采用此值，而且应当设置适当的滞回值，以防止电机在边界条件下频繁在不同控制策略分支之间切换。作为这种三分支结构的控制策略，程序中应当设置至少3张边界查询表，分别作为两两分支之间的转换使用，例如最大转矩模式到最大功率模式之间一张表，最大转矩到最大效率模式之间一张表，最大功率模式到最大效率模式之间一张表。也可以设置更多的边界条件表(大于3张表)来取得更精细的控制效果，例如每一种控制模式都设立两张边界表，一张进入表，一张退出表。
MTPA控制的电流曲线如图2中曲线所示。MTPA控制策略能够输出最大扭矩但并非一定是最大效率的原因在于MTPA算法仅优化了电机的铜损，而并未优化铁损。
最大效率控制策略则能够同时优化电机的铜损和铁损，因此能够进一步提高电机的运行效率。基于MTPA控制曲线，继续提升定子电流和转矩角，互感磁链将减小。由于铁损与互感磁链的大小成正比，磁链的减小将引起铁损减小。尽管电流提升，铜损也会略微增加，但整体来看，电机总的电气损耗降低了。同时，尽管升高的电流也会在逆变器中引起导通损耗增加，但增加的逆变器导通损耗相对于降低的电机损耗很小，***总体效率仍然得到提升。
在实际应用时，采用离线标定的方法来寻找电机的最大转矩控制曲线和驱动***(含逆变器)的最大效率控制曲线，曲线的横坐标和纵坐标分别为电流矢量的d轴和q轴分量，目标转矩垂直于d-q平面，从而形成一种三维图表的数据结构，方便编程时使用。
图3为最大效率控制与MTPA控制的电流对比图。纵坐标是转矩的标幺值，横坐标是总损耗的标幺值。为方便阐述，将图中0°到25°电流矢量角之间的曲线截取出来如图4所示。假设转矩指令变量定义为Tq_cmd，如果使用MTPA控制算法，实现此转矩需要的电流矢量为幅值I1,电流角13.5°；从图4可以看到，同样的转矩指令，也能够使用电流矢量I2实现，只是电流角变成了24.5°；虽然电流I2的幅值比I1的幅值大，但是电机的总损耗反而降低了。所以这种以电机效率最大化为指标的控制策略在电动汽车的电池电量低时采用更为合适。
图5为三种控制模式在Idq电流平面上的分布示意图。三条曲线都是基于电机的运行模型，结合了仿真和实验室标定数据后确定的。MTPA曲线通常起于电流平面原点，MTPV曲线通常起于电压椭圆原点，最大效率控制曲线位于MTPA控制线和最大功率控制(MTPV)线之间。

Claims (4)

1.一种三分支结构的汽车驱动电机控制方法，包括以下步骤：
步骤一：电机控制器计算电机转速；
步骤二：电机控制器根据电机当前转速以及电池电压，对整车控制器发来的转矩指令进行调整，确保该转矩指令限制在电机的允许运行范围内；
步骤三：电机控制器判断电池电量是否低于设定阈值，若是，则进入步骤四，若否，则进入步骤五；
步骤四：电机控制器进入最大效率控制模式；
步骤五：电机控制器判断电机转速、转矩或电池电压是否处于边界区域，若是，则进入最大功率控制模式，若否，则进入最大转矩控制模式。
2.根据权利要求1所述的三分支结构的汽车驱动电机控制方法，其特征在于：所述步骤一中，电机转速的计算公式为
其中ω编码器指从编码器读取的电机实时转速值，取其绝对值，Vdc指动力电池的输出电压；将电机转速的实时值与直流电压的比例称之为转速的标幺值，取其绝对值ω标幺值。
3.根据权利要求1所述的三分支结构的汽车驱动电机控制方法，其特征在于：所述步骤二中，转矩指令的调整是根据汽车的运行工况进行的，包括温度补偿、死区补偿、NVH补偿、阻转矩补偿、插补以及根据电池工况进行的功率限制，确保电机输出轴上准确得到指令转矩。
4.根据权利要求1所述的三分支结构的汽车驱动电机控制方法，其特征在于：所述步骤五中，边界区域的确定是依据电机实时转速、转矩指令大小、电池电压确定的；当电机转速超出设定值、电池电压低于设定值或转矩指令大于设定值，都进入最大功率控制模式。
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