CN1964179A - 一种永磁无刷电机的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁无刷电机的控制方法和装置，来自整车控制器的转矩给定信号通过电流函数表转换成给定电流信号，电流函数表是转矩给定值与电机转速的函数；给定电流与反馈电流通过电流调节器输出占空比信号，用作脉宽调制(PWM)控制；同步PWM信号发生器根据占空比、当前弱磁控制的换流提前角的大小以及当前电机转子位置状态(HALL信号)，确定PWM发生顺序和发生时刻，从而实现永磁无刷电机的弱磁控制。本发明提出的一种永磁无刷电机控制方法，具有很高的实时性和可靠性，控制***能很好满足***稳定运行和动态调节的要求，***高效率区指标超过预定指标规定。

Description

一种永磁无刷电机的控制方法和装置

技术领域：

本发明涉及电动汽车的技术领域，具体地说是一种适用于电动汽车的永磁无刷电机控制方法和装置。

背景技术：

汽车是当前世界上最重要的交通工具之一，但是石油资源的日益减少以及燃油汽车对环境的污染已成为汽车应用亟待解决的问题；无污染、低噪声的电动汽车的研制和开发热潮在全球已经兴起，电动汽车取代燃油汽车是21世纪汽车工业的发展方向。

电动汽车对其动力装置提出了比通常情况更高更复杂的要求：频繁起动/停车，快速提/降速，低速爬坡时输出高转矩，高速经济行驶时输出低转矩，具有高能量密度和高效率，尽可能地降低车身的尺寸和重量，既有良好的动态性能，又具有高稳态精度，且易于控制。当前，国内外电动汽车的发展水平在短距离行驶中已不成问题，制约其发展的“瓶颈”实际上是由于蓄电池的容量小，限制了一次充电行驶里程。目前在车载蓄电池技术未能突破的条件下，电动汽车的电驱动***是实现电动汽车基本性能和解决这一关键问题的重要因素，因而要求电动汽车电驱动***应具有尽可能高的转矩密度、良好的转矩控制能力、高的运行可靠性及在整个电动汽车调速范围内具有尽可能高的效率。永磁无刷电机的诸多独特优势(起动转矩大，过载能力强，体积小，效率高，寿命长，免维护等特点)，十分适合于电动汽车的运行特性，高效率、高单位容量和高转矩/重量比的永磁无刷电机非常具有吸引力，是电动汽车动力***的首选驱动***之一。因此，需要开发一种能够用于电动汽车动力***的永磁无刷电机的控制方法。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种永磁无刷电机控制装置。

为了实现上述目的，一种永磁无刷电机控制装置，该装置包含电机控制器，其特征在于电机控制器与电机控制单元连接，电机控制单元与三相电压逆变电路连接，三相电压逆变电路与永磁无刷电机连接，永磁无刷电机还与位置传感电路连接，位置传感电路与电机控制单元连接。

其中电机控制单元包含电流函数单元，电流函数单元的第一输入端与电机控制器的第一输出端连接，电流函数单元的输出端与电流调节单元的输入端连接，电流函数单元的输出端还与弱磁角度计算单元的第一输入端连接，电流调节单元的输出端与同步PWM产生单元的第一输入端连接，弱磁位置计算单元的输出端与同步PWM产生单元的第二输入端连接，电机转速计算单元的第一输出端与弱磁位置计算单元的输入端连接，电机转速计算单元的第二输出端与电流函数单元的第二输入端连接，电机转速计算单元的输入端与位置传感电路的输出端连接，位置传感电路的输出端还与换流计算单元的输入端连接，换流计算单元的输出端与同步PWM产生单元的第三输入端连接，电机控制器的第二输出端与同步PWM产生单元的第四输入端连接，同步PWM产生单元的输出端与三相电压逆变电路的输入端连接。

该装置还包含相电流采样电路，温度信号处理电路，电压信号处理电路，相电流采样电路的输入端与永磁无刷电机连接，相电流采样电路的输出端与同步PWM产生单元的输入端连接；温度信号处理电路的第一输入端与永磁无刷电机连接，温度信号处理电路的第二输入端与三相电压逆变电路连接，温度信号处理电路的输出端与同步PWM产生单元的输入端连接；电压信号处理电路的输入端与三相电压逆变电路的输入端连接，电压信号处理电路的输出端与同步PWM产生单元的输入端连接。

本发明的另一目的是提供一种能够用于电动汽车动力***的永磁无刷电机的控制方法。

一种永磁无刷电机的控制方法，其特征在于该方法包含以下步骤：A、由电流函数单元将来自整车的转矩给定信号和电机转速计算单元的转速信号通过电流函数表转换成给定电流信号；B、由电流调节单元对给定电流与由相电流采样电路反馈回来的反馈电流进行处理，输出占空比信号；C、电机转速计算单元根据位置传感器电路反馈的当前电机转子位置信号计算电机转速和当前电机转子位置；D、由弱磁角度计算单元根据给定电流信号和电机转速计算弱磁控制的换流提前角；E、换流位置计算单元根据当前电机转子位置确定换流位置；F、由同步脉宽调制(PWM)产生单元根据占空比信号、换流提前角和换流位置确定PWM发生顺序和发生时刻，并将信号传送到三相电压逆变电路；G、由三相电压逆变电路实现对永磁无刷电机的控制。

本发明提出的一种永磁无刷电机控制方法，具有很高的实时性和可靠性，控制***能很好满足***稳定运行和动态调节的要求，***高效率区指标超过预定指标。

附图说明：

图1为永磁无刷电机控制装置原理框图。

图2为三相逆变电路—永磁无刷电机主电路原理图。

图3为位置传感器信号处理电路原理图。

图4为电流信号处理电路原理图。

图5为电机和控制器温度信号处理电路原理图。

图6为功率模块故障信号处理电路原理图。

图7为直流母线电压信号处理电路原理图。

图8为驱动信号隔离电路原理图。

图9为电机控制器硬件电路原理框图。

图10为电机控制单元的软件流程图。

图11为电机正转正常换流过程位置信号与驱动信号对应图。

图12为电机正转提前换流过程位置信号与驱动信号对应图。

图13为总线通信的硬件实现的结构框图。

图14为总线通信的硬件实现的电路原理图。

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描述。

针对电动汽车对电机及其控制***的恒功率工况要求，永磁无刷电机在额定转速以下时以恒转矩输出，在额定转速到最高转速之间以恒功率输出。对应于永磁无刷电机恒功率运行区段，在直流母线电压一定的前提下，当电机反电势接近直流母线电压时，如果要再升高转速，电机的反电势会超过直流母线电压。由于永磁无刷电机转子磁场恒定，只有通过定子电流的去磁作用来削弱气隙磁场，通过控制定子电流提前气隙磁通(相反电势)一个角度α，通过电机相电流的直轴分量来实现对气隙磁通的去磁作用，以此来提高电机转速。

该方法提出的永磁无刷电机的弱磁控制，包含以下步骤：A、由电流函数单元将来自整车的转矩给定信号和电机转速计算单元的转速信号通过电流函数表转换成给定电流信号；B、由电流调节单元对给定电流与由相电流采样电路反馈回来的反馈电流进行处理，输出占空比信号；C、电机转速计算单元根据位置传感器电路反馈的当前电机转子位置信号计算电机转速和当前电机转子位置；D、由弱磁角度计算单元根据给定电流信号和电机转速计算弱磁控制的换流提前角；E、换流位置计算单元根据当前电机转子位置确定换流位置；F、由同步脉宽调制(PWM)产生单元根据占空比信号、换流提前角和换流位置确定PWM发生顺序和发生时刻，并将信号传送到三相电压逆变电路；G、由三相电压逆变电路实现对永磁无刷电机的控制。

该方法可以通过以下所述的永磁无刷电机控制装置来实现。一种永磁无刷电机控制装置，该装置包含电机控制器1，其特征在于电机控制器1与电机控制单元2连接，电机控制单元2与驱动信号隔离电路9连接，驱动信号隔离电路9与三相电压逆变电路3连接，三相电压逆变电路3与永磁无刷电机4连接，永磁无刷电机4还与位置传感电路5连接，位置传感电路5与电机控制单元2连接。

其中电机控制单元2包含电流函数单元21，电流函数单元21的第一输入端与电机控制器1的第一输出端连接，电流函数单元21的输出端与电流调节单元22的输入端连接，电流函数单元21的输出端还与弱磁角度计算单元23的第一输入端连接，电流调节单元22的输出端与同步PWM产生单元26的第一输入端连接，弱磁位置计算单元23的输出端与同步PWM产生单元26的第二输入端连接，电机转速计算单元24的第一输出端与弱磁位置计算单元23的输入端连接，电机转速计算单元24的第二输出端与电流函数单元21的第二输入端连接，电机转速计算单元24的输入端与位置传感电路5的输出端连接，位置传感电路5的输出端还与换流计算单元25的输入端连接，换流计算单元25的输出端与同步PWM产生单元26的第三输入端连接，电机控制器1的第二输出端与同步PWM产生单元26的第四输入端连接，同步PWM产生单元26的输出端与三相电压逆变电路3的输入端连接。

该装置还包含相电流采样电路6，温度信号处理电路7，电压信号处理电路8，相电流采样电路的输入端与永磁无刷电机连接，相电流采样电路的输出端与同步PWM产生单元的输入端连接；温度信号处理电路的第一输入端与永磁无刷电机连接，温度信号处理电路的第二输入端与三相电压逆变电路连接，温度信号处理电路的输出端与同步PWM产生单元的输入端连接；电压信号处理电路的输入端与三相电压逆变电路的输入端连接，电压信号处理电路的输出端与同步PWM产生单元的输入端连接。

其中三相电压逆变电路3的线路如图2所示。图中，U_d为直流回路电源，采用铝离子电池堆，其输出电压范围为300～360VDC，能够提供的最大电流为250A；C_d为中间直流回路滤波电容，采用2700uF/450VDC的铝电解电容；三相逆变电路采用三菱公司PM600DSA060 IPM功率模块组成三相桥臂31、32、33；三相逆变电路输出电压(0～312VAC)和频率(0～800Hz)可调的三相交流电，驱动永磁无刷电机运行；位置传感电路用于实时检测永磁无刷电机的转子位置，位置传感器采用型号为SS41霍尔信号传感器，来自永磁无刷电机位置传感器的三相转子位置，经阻容滤波电路后送入施密特触发器电路，施密特触发电路输出处理后的三相转子位置信号给电机控制单元，一相转子位置信号处理电路如图3所示；相电流采样电路用于检测永磁无刷电机三相电流，如图4所示，电流传感器型号为LEM公司BLF500-S7，放置永磁无刷电机三相输入端，电流传感器输出信号首先由二阶低通有源滤波电路进行滤波处理，经偏置电路将电流的交流信号偏置成直流信号，最后送电机控制单元；温度采样电路用于对控制器温度和电机温度分别进行处理，其中控制器温度信号采用功率模块安装基板温度，电机温度采用定子绕组温度，温度检测采用型号为HEL-776的温度传感器，温度传感器输出信号经恒流源转换为电压信号，然后经差分放大及滤波电路处理后送电机控制单元，如图5所示；图3中，三相逆变电路和电机控制单元之间还设模块故障处理电路10，用于将三相功率模块输出的故障信号进行线与后输出一路综合故障信号送电机控制单元，模块故障处理电路10的电路如图6所示；电压信号检测电路用于检测直流母线电压，直流母线电压采用LEM公司LV28-P电流型电压传感器，电压传感器输出信号经一阶有源低通滤波电路处理后，送放大电路，然后送电机控制单元，如图7所示；电机控制单元接受来自位置传感器的三相转子位置信号、相电流检测电路的三相电流信号、温度检测电路的控制器温度和电机温度信号、电压信号处理电路的电压信号，并根据来自电机控制器的转矩指令、电机使能信号、电机转向信号和牵引/制动信号控制输出六路PWM信号；六路PWM信号经过驱动信号隔离电路送三相功率模块，一路PWM驱动信号的隔离电路如图8所示；电机控制器接收来自总线信号，图9功能见专利ZL03229228.7。

根据本发明的一个实施例，电机控制单元通过软件实现。实现的软件流程图如图10所示：

电机控制单元2进入通过定时器下溢中断实现，定时器采用连续增减计数，定时器先从零开始增计数，计数到最大值后进行减计数，直到重新计数到零，发生一次下溢中断；定时器重新从零开始增计数，如此周而复始，确保中断时间连续发生。当定时器下溢中断事件发生后，定时器控制寄存器向微处理器产生一个中断请求标志和一个中断偏移向量，微处理器通过检测中断请求标志，产生软件中断，并根据中断偏移向量转入对应的中断程序。

进入中断101后，首先进入模块102，由电流函数单元21读入电流函数表和弱磁角度表，电流函数表格和弱磁角度表格均根据不同的电机转速下不同的电磁转矩指令通过对电机参数计算得到，表格的横坐标为电机转速，纵坐标为电磁转矩指令，转速和转矩指令的分辨率综合所需要达到的控制精度和相应的电机参数得到。

读入电流函数表和弱磁角度表后，进入模块103，由电机转速计算单元24读入位置传感电路5输出的电机转子位置信号，根据电机的转子位置信号每60度电角度的高低电平的变化计算得到当前电机转子所处于的位置。计算方法规定如下：定义转子位置信号高电平时为1，低电平时为0，且三相转子位置信号在时间上互差120度电角度。以电机正向旋转为例，电机旋转360度电角度时，对应的转子位置信号变化情况为如图11所示。图11中，电机正向旋转时的转子位置信号顺序为：546231。

在模块104中，电机转速计算单元24根据位置传感电路检测到的三相霍尔信号，运用测频法原理，在给定的时间(0.100s)内，通过检测电机转子为信号变化的次数m(每变化一次增加60电角度)来实时计算当前电机转速；假定电机的极对数为p，则计算公式如下：

$n=60\·\frac{m}{6p}\·\frac{1}{0.100s}=\frac{100m}{p}\left(\mathrm{rpm}\right)$

然后由同步PWM产生单元26进行信号采样，信号采样包括对电机相电流、直流母线电压、控制器温度、电机温度以及功率模块的故障信号的采样。在模块105中，相电流采样通过同时对三相电流进行采样，比较求得其中的最大值作为当前电机相电流的平均峰值电流，这一平均峰值电流用作电流比较和调节单元中的反馈电流值。直流母线电压采样对象为中间直流回路(滤波电容)两端的电压，主要用作软件中判断直流母线电压是否正常。在模块106中，控制器温度选取功率模块的安装平面(散热器)温度作为控制器温度反馈信号，用作对控制器进行温度保护；电机温度选取定子绕组温度作为电机温度反馈信号，用作对电机进行温度保护。在模块107中，读入功率模块的故障信号。

在模块108中，根据模块105，106和107中所得到的信号，通过电机相电流是否在正常电流-480～480A的范围内，判断直流母线电压是否在正常电压250～360V的范围内，控制器温度是否低于85度的最高工作温度，电机温度是否低于130度的最高工作温度，以及功率模块的故障信号是否为1，以此来判断故障是否发生，如是，则进入模块109，通过脉冲封锁，关闭PWM信号，然后出中断(模块120)。如否，则进入模块110，由电流函数单元21根据接收到的电流指令和当前的电机转速，通过查电流函数表格得到控制所需的电流指令。

接着在模块111中，由电流调节单元22进行电机相电流比较和调节，对来自电流函数表的电流控制指令和采样得到的电流反馈信号进行比较，通过比例积分调节器，调节输出控制通过PWM产生所需要的占空比(脉宽)信号；

接着在模块112中，由弱磁角度计算单元23进行弱磁提前角度计算。永磁无刷电机弱磁控制角度控制分为两类角度：一类为抵消由于定子电流产生的电枢反应导致的相电流滞后于电机相反电势的角度；另一类为削弱电机气隙磁场所需要的电流提前角，两种角度的叠加组成实际弱磁工况下的电流提前角度。

模块113判断弱磁提前角度是否为零。

当弱磁提前角度为零时，由换流位置计算单元25进行正常换流位置计算(模块116)，并进行正转换流(模块117)。相应的正常换流程序中不同的电机转子位置对应的三相逆变电路中六个开关管的导通顺序如图11所示。由图11得到的导通顺序如下表1所示：

表1  正转时HALL状态与开通功率管的对应关系

HALL状态	O11	001	101	1OO	11O	01O
							导通功率管	T4T5	T5T6	T6T1	T1T2	T2T3	T3T4

当弱磁提前角度不为零时，由换流位置计算单元25进行弱磁提前换流位置计算(模块114)，并进行弱磁提前换流(模块115)。相应的弱磁提前换流程序中不同的电机转子位置对应的三相逆变电路中六个开关管的导通顺序如图12所示。由图12得到的导通顺序如下表2所示：

表2  正转时HALL状态与开通功率管的对应关系

HALL状态	O11	001	1O1	100	11O	010
							导通功率管	T5T6	T6T1	T1T2	T2T3	T3T4	T4T5

接着在模块118中，同步PWM产生单元根据来自弱磁角度计算单元的弱磁控制角度、来自换流位置控制单元的换流顺序、来自电流调节器单元的占空比信号以及来自电机控制器总线通信电路接受得到的电机运行模式(使能/禁止)、电机转向(正转/反转)以及电机运行状态(牵引/制动)控制输出三相同步PWM信号，用于驱动三相电压逆变电路功率管开关工作。最后出中断(模块119)。

用于电动汽车的永磁无刷电机控制***通过CAN(工业控制局域网)总线与整车进行通信，实现对电机的实时控制。以下结合附图说明。

图13为CAN通信的硬件实现的结构框图，图14为CAN通信的硬件实现的电路原理图。电机控制器1中DSP控制器芯片采用TI公司高速数字处理器TMS320C240 DSP，通信接口中采用PHILIPS公司的CAN总线控制器SJA1000和CAN总线收发器82C250芯片。由于DSP的内部结构为改进的哈佛结构，采用并行的程序和数据总线结构，对数据和程序的访问可以同时进行；而SJA1000采用冯·诺依曼结构，只有数据总线，对数据和程序的访问是靠数据总线分时复用进行的，所以需要通过采用一个可编程逻辑控件解决DSP与SJA1000读写时序的之间的矛盾。本发明提出采用Verilog HDL对可编程逻辑器件IM4A5-64/32 ISP进行逻辑编程，从而解决了DSP与CAN总线控制器SJA1000读写时序的之间的矛盾。

电机控制器的CAN总线收发器通过CAN总线接收来自整车控制器的信号，经光耦隔离后向CAN总线控制器发送，CAN总线控制器接收信号后通过可编程逻辑器件对DSP控制器传输，最后由DSP控制器接收CAN总线信号；同时，来自DSP控制器的信号通过可编程逻辑器件向CAN控制器发送，CAN控制器接收后经过光耦隔离向CAN总线收发器发送，最后由CAN总线收发器通过CAN总线向整车控制器发送，从而完成电机控制器与整车控制器之间的信号传输。

Claims (6)

1、一种永磁无刷电机的控制方法，其特征在于该方法包含以下步骤：A、由电流函数单元将来自整车的转矩给定信号和电机转速计算单元的转速信号通过电流函数表转换成给定电流信号；B、由电流调节单元对给定电流与由相电流采样电路反馈回来的反馈电流进行处理，输出占空比信号；C、电机转速计算单元根据位置传感器电路反馈的当前电机转子位置信号计算电机转速和当前电机转子位置；D、由弱磁角度计算单元根据给定电流信号和电机转速计算弱磁控制的换流提前角；E、换流位置计算单元根据当前电机转子位置确定换流位置；F、由同步PWM产生单元根据占空比信号、换流提前角和换流位置确定PWM发生顺序和发生时刻，并将信号传送到三相电压逆变电路；G、由三相电压逆变电路实现对永磁无刷电机的控制。

2、如权利要求1所述的永磁无刷电机的控制方法，其特征在于该方法还包含：故障信号采样步骤和故障处理的步骤。

3、如权利要求2所述的永磁无刷电机的控制方法，其特征在于故障信号包含电机相电流信号、直流母线电压信号、控制器温度信号、电机温度信号以及功率模块的故障信号。

4、一种永磁无刷电机控制装置，该装置包含电机控制器，其特征在于电机控制器与电机控制单元连接，电机控制单元与三相电压逆变电路连接，三相电压逆变电路与永磁无刷电机连接，永磁无刷电机还与位置传感电路连接，位置传感电路与电机控制单元连接。

5、如权利要求4所述的永磁无刷电机控制装置，其特征在于电机控制单元包含电流函数单元，电流函数单元的第一输入端与电机控制器的第一输出端连接，电流函数单元的输出端与电流调节单元的输入端连接，电流函数单元的输出端还与弱磁角度计算单元的第一输入端连接，电流调节单元的输出端与同步PWM产生单元的第一输入端连接，弱磁位置计算单元的输出端与同步PWM产生单元的第二输入端连接，电机转速计算单元的第一输出端与弱磁位置计算单元的输入端连接，电机转速计算单元的第二输出端与电流函数单元的第二输入端连接，电机转速计算单元的输入端与位置传感电路的输出端连接，位置传感电路的输出端还与换流计算单元的输入端连接，换流计算单元的输出端与同步PWM产生单元的第三输入端连接，电机控制器的第二输出端与同步PWM产生单元的第四输入端连接，同步PWM产生单元的输出端与三相电压逆变电路的输入端连接。

6、如权利要求5所述的永磁无刷电机控制装置，其特征在于该装置还包含相电流采样电路，温度信号处理电路，电压信号处理电路，相电流采样电路的输入端与永磁无刷电机连接，相电流采样电路的输出端与同步PWM产生单元的输入端连接；温度信号处理电路的第一输入端与永磁无刷电机连接，温度信号处理电路的第二输入端与三相电压逆变电路连接，温度信号处理电路的输出端与同步PWM产生单元的输入端连接；电压信号处理电路的输入端与三相电压逆变电路的输入端连接，电压信号处理电路的输出端与同步PWM产生单元的输入端连接。

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