CN1861443A

CN1861443A - 电动机控制方法

Info

Publication number: CN1861443A
Application number: CNA2005100209003A
Authority: CN
Inventors: 廖勇; 周旭光; 马先红; 齐阿喜; 杨广明; 谢飞; 张金涛
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2006-11-15

Abstract

本发明公开一种电动机控制方法，以电流环控制代替速度环控制，电流环控制直接将油门深度对应i_q，动态检测电流大小，把目标电流与实际电流的差值作为电流环的输入，电流环采取了优化的PI控制方法，实现快速的动态响应，提高控制精度，防止出现堵转电流增大而烧毁电机。

Description

电动机控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动机控制方法，特别涉及用于电动车的电动机控制方法。

背景技术

电动机控制技术，目的是对使用旋转磁场连续转动电动机进行控制。电动机控制的要求很高，不仅要求电动机能在各种复杂的环境下稳定工作，而且要求电机的转速、转角、转矩等物理量能够被精确地控制。

传统的控制方法采用速度环控制，如图1所示。速度环反馈控制时，油门深度对应给定速度，再由速度控制i_q来控制转矩，因此其响应速度慢。同时，当电动汽车在上坡等路况不好的情况下，阻力比较大，电机容易发生堵转现象，速度环反馈控制***就会增大电流，以控制电机增加力矩，此时电机很容易因为电流过大而烧毁。

发明内容

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种运行安全可靠、反应快捷的电动机控制方法。

为实现上述目的，本发明提出一种电动机控制方法，包括如下步骤：1)设定目标电流：将油门深度与电机电流期望值建立对应关系；2)检测、采集电机三相电流(i_a*，i_b*，i_c*)；3)把当前电机的三相电流(i_a*，i_b*，i_c*)经过park变换和clark变换转换为电机实际电流(i_q*，i_d*)；把目标电流与实际电流的差值作为电流环的输入，进行PI调节控制；同时检测电动机转子位置测定转子转角；4)根据PI调节的输出和电动机转子转角，进行Park变换，输出三相电压值(V_a，V_b，V_c)；5)三相电压值(V_a，V_b，V_c)经变频调节后，通过三相逆变器驱动电动机。

上述的电动机控制方法，在所述步骤3)之前，还包括相移补偿步骤：将所述三相电流(i_a*，i_b*，i_c*)经过滤波放大后，加上补偿角对延时造成的相移进行补偿。所述补偿角的值优选102°×角速度标幺值。

在所述步骤3)PI调节过程中，对PI调节的积分进行限幅，当其超调时，将上限值或下限值赋予PI调节的输出。在所述步骤3)PI调节过程中，在保证***响应快速性的前提下对PI调节频率进行限制，防止PI调节器调节过快产生超调。所述步骤3)中检测电动机转子位置测定转子转角的过程包括弃角度坏值步骤：采集本次测定转角值，获取本次理论转角值为本次测定转角值×当前速度+上一次转角值或转动时间×当前速度+上一次转角值，将本次理论转角值与测定转角值进行比较，当其在误差允许范围内，采用本次测定转角值，当其超出了误差允许范围时，此次测定转角值为坏值，采用理论位置值作为当前的转角值。

由于采用了以上的方案，带来了以下的有益效果：

电流环控制代替速度环控制，与速度环控制相比，电流环控制直接将油门深度对应i_q，实现快速的动态响应，提高控制精度，其能量利用率高、使电机产生的扭矩大；电动汽车启动平稳、加速度快、续驶里程大。自动检测电流大小，把目标电流与实际电流的差值作为电流环的输入，电流环采取了经典的PI控制方法，防止出现堵转电流增大而烧毁电机。

在控制过程中对PI调节器的积分器进行限幅以达到防止超调的目的，同时在保证***响应快速性的前提下对PI调节频率进行了限制，保持电流在动态响应过程中不出现过度超调，在突加负载时不出现超调或者超调很小，限制最大电流，保障***安全运行。

本发明在测定转子位置时，采取了弃角度坏值方案，提高角度测定的抗干扰性，避免因转子位置错误而产生电机失控的情况，大大提高了控制精度和可靠性。

附图说明

图1是现有技术的电机速度环控制***示意图；

图2是本发明电机电流环控制***示意图；

图3为本发明的电动机控制设备的原理框图；

图4为说明图3所示控制装置的功能方框图；

图5为说明图4所示的控制装置的原理框图；

图6为说明图4所示的控制装置的部分原理框图；

图7为本发明的控制***位置检测部分的示图；

图8是本发明用于位置检测的旋转变压器的内部结构示意图；

图9是旋转变压器工作时实际励磁信号波形图；

图10是旋转变压器正弦输出信号波形图；

图11是旋转变压器余弦输出信号波形图；

图12、图13是PI调节的部分流程图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图2所示，为本发明的电动机电流环控制***示意图，本发明涉及的控制策略包括以下步骤：在进行电动机的PWM波控制时检测档位信号、保护信号及刹车、油门的深度，与电机电流期望值建立对应关系，根据这些数据输出Id、Iq给定值，即目标电流；把当前电机的三相电流i_a*，i_b*，i_c*经过park变换和clark变换计算出电机实际电流值i_q*，i_d*；把目标电流与实际电流的差值作为电流环的输入，经PI调节输出三相电压值V_a，V_b，V_c；同时检测电动机转子位置测定转子转角θ，用于Park变换；最后转化为占空比输出，控制了PWM波波形；电机与车轮在机械上以5.4∶1变比的齿轮连接，通过踩油门调整电机转速从而达到控制汽车转速，可以达到无极变速，没有变速档位。采用电流环对三相正弦波电流控制，通过控制电流从而控制扭矩，合理调整一些参数，可以获得更好的控制性能，具有平稳性好、调速性能优、动态响应快等优点。

如图12、图13所示，在控制过程中对PI调节器的积分器进行限幅以达到防止超调的目的，同时在保证***响应快速性的前提下对PI调节频率进行了限制，以免PI调节器调节过快产生超调。

同时，本发明的电动机控制方法采用多种辅助技术方案，以提高控制可靠性。

相移补偿方案：由于电流霍尔采集的三相电流信号在进入DSP之前要经过滤波放大电路的处理，以滤除高次谐波，但同时这样也对电流信号造成了延时，从而产生了相移，使得DSP检测到的不是当前电流。相移补偿的作用就是把模拟电路处理中造成的相移用软件的方法补偿起来，具体补偿方法为：补偿角＝(当前角速度)/1100*102°＝102°*((当前角速度)/1100)＝102°*角速度标幺值。其中102°是用信号发生器测出来的角速度在110rad/s时，模拟电路造成的信号相移参数，而其相移基本上是随着角速度的增加而线性增加的。这样经过补偿的信号就被还原成了与实际电机电流相符的信号。

使用旋转变压器，由于其内部没有任何电子元件，只有三组线圈，所以它的抗振性、耐温性、抗腐蚀性、抗灰尘油污、抗干扰性等方面都具有很好的性能，能满足不同环境下的使用要求，具有极高的可靠性。

如图3所示，直流电压通过逆变电路转变为交流电压加载到电动机30的三相绕组，实现了电动机的驱动；通过脉冲宽度调制使逆变电路开关元件的导通关断时间发生变化，实现了电动机30的速度调节。桥式电路的上桥臂的功率开关元件连接到上桥臂，下桥臂连接到地线。IPM的每一桥臂都并有一个续流二极管。每一相电路都并有吸收电容，滤掉直流电源的纹波。桥式逆变电路由智能功率模块(IPM)构成，三三导通共有六种状态。

通过电流传感器40采集三相交流电信号，通过电压传感器70采集直流侧电压信号，经过两级滤波放大后送到信号处理器DSP进行运算，去控制6路PWM波形。电流传感器40测量直流电源逆变后的交流相电流，输送给DSP，作为计算转矩的依据。逆变器10的各相支路的中点与永磁同步电机(PMSM)30的各相绕组的端连接。其中，每个U相绕组、V相绕组和W相绕组的一端与公共中性点连接，也就是星型连接。转子位置传感器90测得转角位置θ送给DSP，作为Park变换的依据。其中，经过DSP逆运算校正，去掉坏值。电压传感器70测量直流电压。电容80与逆变器10并联。大容量的电解电容用来储能，滤除直流分量的纹波；而小的吸收电容的作用是，在IPM以很高的频率开断的过程中，吸收高频分量和噪声。

图4是本发明方法的控制装置功能示意图。DSP的一个定时器用来产生PWM波以控制电机，一个定时器用来产生采样周期以读取三相电流、母线电压信号以及旋变信号，一个定时器用来产生控制周期。

通过空间矢量变换由三相电流信号i_a*，i_b*，i_c*计算得到i_d、i_q，将此i_d、i_q作为实际DQ轴电流，通过电机速度由弱磁线得到i_d*，由档位信息以及油门深度得到应该输出的力矩而得到力矩电流i_q*，由i_d*、i_q*通过相应电压公式得到Vd、Vq，通过两处i_d、i_q的偏差使用PI控制对V_d和V_q进行修正。再由V_d、V_q经坐标变换得到V_a、V_b、V_c，得到V_a、V_b、V_c后就可以计算三相电压的占空比，输出到逆变电路，实现三相电压的输出。

角度去坏值部分51测量本次角度测量值与上次测量值之差是否在允许范围内；否则的话，就要根据转速进行调节。速度转换部分52是角度转换为角速度。开关量输入和保护信号输入给DSP，决定i_d、i_q的估计值；电动机相电流根据θ角进行buck变换(功能框54)，计算i_d、i_q的实际值(功能框55)，与给定值比较。比较结果进行PI调节(功能框59)，它与电压转换部分53一起计算V_d、V_q，产生三相电(功能框60)。最后决定驱动波形占空比输出。

图5、图6为控制电路的结构示意图。控制电路由三块电路板组成：控制板70接收外部传感器的信号，DSP71将这些信号进行运算处理，调整PWM的占空比。

驱动板80传递PWM信号和保护信号，驱动单元的IPM85模块具有电流检测和温度检测；当发生过流或过温故障信号时，保护信号经光耦83隔离后传递到与门，又经滤波电路82和两级比较器81输送到控制板上的信号处理器DSP。DSP检测到保护信号，停止电机。驱动板两级比较器和滤波电路的作用是为防止干扰，消除误保护。DSP发出的PWM信号经总线驱动器传递给IPM，控制其通断。模拟量输入包括：母线电压、三相电流、油门深度、刹车深度。母线电压由电压霍尔(按标定值)检测，经AD转换器输送给DSP；三相电流由电流霍尔(按标定值)检测，输送给DSP，控制PWM占空比控制导通时间来变速，形成了电流环；油门深度和刹车深度由传感器检测输送给DSP。开关量包括档位信息和保护信号。档位信息有：手刹(HB)、脚刹(FB)、停车档(P)、倒车档(R)、空档(N)、前进档(D)。电机保护信号有电量预充满信号、电机过温信号和散热器过温信号。电机采用永磁同步电机，它有着优良的性能。直流电源由锂离子动力电池组成。

控制装置机械结构采用三层式结构，上层是控制板、吸收电容放置处；中间层放置的是驱动板；底层放置电源板、IPM、电压霍尔和电流霍尔。

图7是控制***位置检测部分的示图；位置检测部分由旋转变压器、总线驱动器、旋变解码芯片和运放组成，它们构成了闭环控制***。旋转变压器的转子固定于电机转轴上，它的定子固定于电机后盖；定子上的三个绕组的引线从后盖引出。以此检测转子位置，然后把信息传送到旋变解码芯片中，经过一系列变换，最后传输到DSP中，使得DSP能够做出相应调整IPM的开通关断。旋转变压器的内部结构如图8所示，S1-S2为输入励磁绕组，S3-S4为正弦输出绕组，S5-S6为余弦输出绕组。这三组绕组的工作原理可用下面的方程式来表示。

励磁绕组外加信号

Vs1_s2＝Vp×Sin(ωt)

图9是实际励磁信号的波形。

在正弦绕组和余弦绕组上感应电动势分别为

Vs3_s4＝Vs×Sin(ωt)×Sinθ (1)

Vs5_s6＝Vs×Sin(ωt)×Cosθ (2)

式中Vs＝kVp，k是传输比，图10和图11分别是这两个绕组的正弦、余弦输出信号波形。

根据(1)和(2)，有

tanθ＝Vs3_s4/Vs5_s6 (3)根据方程式(3)，只要检测出正余弦信号的幅度和极性就能计算出转子的轴角度值。解算单元就是应用了这个原理，它输出励磁信号Vs1_s2至旋转变压器，并根据旋转变压器输出的正弦信号Vs3_s4和余弦信号Vs5_s6计算出电机的旋转方向，角速度以及转子位置θ；然后通过数据总线将转换后的数字信号传送到DSP处理单元。

因为旋转变压器不是完全可靠的，取信号过程也不是完全隔绝干扰的，所以在控制过程中有可能得到错误的位置信号。为了避免因为错误的转子位置信号而产生电机失控的情况，控制方案中采用了弃角度坏值方案。对采集进来的转子测定转角值进行判断，即把测定转角值间隔与当前速度相乘，然后再加上上一次的转角值，得到这一次的理论转角值，与这一次的测定转角值进行判断，看是否在误差允许范围内，如果超出了误差允许范围，则认为此次采集的测定转角值为坏值，应抛弃。然后把计算出来的理论转角值当作正确的位置，这样就达到了去角度坏值的目的。

去角度坏值方案的理论转角值也可以设定为转动时间×当前速度+上一次转角值。

一旦旋转变压器的信号出现错误，如幅度、频率发生异常，这时解算单元将检测到这个错误，同时将向DSP处理器发送一个指示错误的信号。DSP处理器将响应这个错误，控制PWM波使逆变器停止工作，复位解算单元，等到旋转变压器的输出信号正常时才恢复***至正常工作状态

为了使励磁信号具有稳定的波形和足够的驱动能力，在解算电路的励磁输出和旋转变压器的励磁输入之间增压一个功率放大电路23，该放大电路采用了差分放大的电路形式以减小波形的失真。

为了解决实际使用中的干扰问题，同时为了限定正弦信号和余弦信号的幅度在解算单元的允许电压范围之内。采用π形RC滤波器25，将信号进行低通滤波。

此外，为了兼容解算电路和DSP处理器的数字逻辑电平，增加电路的稳定性和驱动能力，在解算电路和DSP处理器之间增加一个总线驱动器21。

Claims

1、一种电动机控制方法，包括如下步骤：1)设定目标电流：将油门深度与电机电流期望值建立对应关系；2)检测、采集电机三相电流(i_a*，i_b*，i_c*)；3)把当前电机的三相电流(i_a*，i_b*，i_c*)经过park变换和clark变换转换为电机实际电流(i_q*，i_d*)；把目标电流与实际电流的差值作为电流环的输入，进行PI调节控制；同时检测电动机转子位置测定转子转角；4)根据PI调节的输出和电动机转子转角，进行Park和Clark逆变换，输出三相电压值(V_a，V_b，V_c)；5)三相电压值(V_a，V_b，V_c)经变频调节后，通过三相逆变器驱动电动机。

2、如权利要求1所述的电动机控制方法，其特征是：在所述步骤3)之前，还包括相移补偿步骤：将所述三相电流(i_a*，i_b*，i_c*)经过滤波放大后，加上补偿角对延时造成的相移进行补偿。

3、如权利要求2所述的电动机控制方法，其特征是：所述补偿角的值为102°×角速度标幺值。

4、如权利要求1-3中任一项所述的电动机控制方法，其特征是：在所述步骤3)PI调节过程中，对PI调节的积分进行限幅，当其超调时，将上限值或下限值赋予PI调节的输出。

5、如权利要求1-3中任一项所述的电动机控制方法，其特征是：在所述步骤3)PI调节过程中，在保证***响应快速性的前提下对PI调节频率进行限制，防止PI调节器调节过快产生超调。

6、如权利要求1-3中任一项所述的电动机控制方法，其特征是：所述步骤3)中检测电动机转子位置测定转子转角的过程包括弃角度坏值步骤：采集本次测定转角值，获取本次理论转角值为(本次测定转角值×当前速度+上一次转角值)或(转动时间×当前速度+上一次转角值)，将本次理论转角值与测定转角值进行比较，当其在误差允许范围内，采用本次测定转角值，当其超出了误差允许范围时，此次测定转角值为坏值，采用理论位置值作为当前的转角值。

7、如权利要求4中所述的电动机控制方法，其特征是：所述步骤3)中检测电动机转子位置测定转子转角的过程包括弃角度坏值步骤：采集本次测定转角值，获取本次理论转角值为(本次测定转角值×当前速度+上一次转角值)或(转动时间×当前速度+上一次转角值)，将本次理论转角值与测定转角值进行比较，当其在误差允许范围内，采用本次测定转角值，当其超出了误差允许范围时，此次测定转角值为坏值，采用理论位置值作为当前的转角值。

8、如权利要求5中所述的电动机控制方法，其特征是：所述步骤3)中检测电动机转子位置测定转子转角的过程包括弃角度坏值步骤：采集本次测定转角值，获取本次理论转角值为(本次测定转角值×当前速度+上一次转角值)或(转动时间×当前速度+上一次转角值)，将本次理论转角值与测定转角值进行比较，当其在误差允许范围内，采用本次测定转角值，当其超出了误差允许范围时，此次测定转角值为坏值，采用理论位置值作为当前的转角值。