[发明专利]一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法

摘要

本发明涉及一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法，由整车控制单元、电机控制器、逆变开关电路、永磁同步电机、位置传感器和三相电流传感器组成，其特征在于根据主动短路控制指令（ASC_Enable）和电机机械转速判断是否进行主动短路控制，通过主动短路法计算永磁同步电机输出转矩，其不依赖如定子电阻和直交轴电压等电机参数，计算值更加准确；电机控制器再根据整车控制单元发出的转矩命令和转矩在线计算值进行PI调节控制，可提高转矩输出绝对值的准确性，加快了转矩闭环响应时间。

主权项

一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法，由整车控制单元、电机控制器、逆变开关电路、永磁同步电机、位置传感器和三相电流传感器组成；其特征在于：所述整车控制单元根据整车工作模通过CAN总线向电机控制器发出三相短路控制Tpsc和转矩指令Tcmd；所述电机控制器由CAN指令分解单元，转矩PI调节模块，直交轴电流指令生成单元，直交轴电流PI调节模块，电压解耦控制单元，空间矢量调制单元，位置及转速处理单元，CLARK&PARK变换单元、转矩在线计算模块和转矩限值生成模块组成；电机控制器根据整车控制单元发出的三相短路控制（Tpsc）和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足Tpsc为1且电机机械转速超过拐点转速，则条件成立，输出主动短路PWM信号到逆变开关电路，控制三相全桥的上桥臂或下桥臂三个IGBT同时闭合；否则，条件不满足，则根据直交轴参考电压和位置信号，计算三相PWM信号占空比，控制IGBT进行开关操作；电机控制器将整车控制单元发出的转矩指令Tcmd和转矩在线计算模块输出的计算值Test输入到转矩PI调节模块，使永磁同步电机的输出转矩达到目标值；所述转矩PI调节模块包括加法模块，抗饱和PI结构单元和限幅器；其中加法模块是对两个输入做差生成Δe；输入到抗饱和PI结构单元在未出现饱和的情况下，的比例项和积分项都起作用，当抗饱和PI结构单元出现饱和的情况下，也就是在eo和out不相等，抗饱和积分回路有效；抗饱和PI结构单元输出为out，将out和转矩指令Tcmd再次相加，二者之和输入到限幅器，经限幅后输出转矩参考值T*；其中，抗饱和PI结构的解析式如下：（1）其中，eo为PI计算输出值，out为经限幅后输出值，Kp为比例系数，Ki为积分系数；e_sat为抗饱和PI结构单元饱和时最大的限幅输出值； e(t)为t时刻的偏差值，out（t）为t时刻的抗饱和PI结构单元输出值；所述直交轴电流指令生成单元根据转矩参考值T*查表获得直交轴电流指令命令值，在电流转矩特性曲线中最小电流获得最大转矩的点可连成的一条线，这条线就是最大转矩电流比曲线MTPA，Maximum torque per. Ampere，该表格即是由MTPA曲线上的点组成的，以T*为索引，输出为直交轴电流指令值；所述直交轴电流PI调节模块根据直轴电流指令命令值id_cmd和交轴电流指令命令值iq_cmd以及CLARK&PARK变换单元输出的直轴电流反馈值idfeedback和交轴电流反馈值iqfeedback，进行PI运算，获得直交轴电流参考值id*和iq*，直交轴电流PI调节模块与转矩PI调节模块内部结构相同，只是输入不同；所述电压解耦控制单元根据稳态电压方程进行解耦，输出为直交轴电压参考值ud*和uq*，具体公式如下：(2)(3)其中，R为定子电阻，p为电机转子极对数，ω为电机机械转速，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，id*为直轴电流参考值，iq*为交轴电流参考值，ud*为直轴电压解耦值，uq*为交轴电压解耦值，为永磁体磁链；空间矢量调制单元根据整车控制单元发出的三相短路控制（Tpsc）和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足Tpsc为1且电机机械转速超过拐点转速，则条件成立，输出主动短路PWM信号到逆变开关电路，控制其上桥臂或下桥臂三个IGBT同时闭合；否则，条件不满足，则根据直交轴参考电压和位置信号，计算三相PWM信号占空比，控制IGBT进行开关操作；所述位置及转速处理单元根据位置传感器输出信号计算转子位置θ和电机机械转速ω；所述CLARK和PARK变换单元接收电流传感器检测到的三相电流、、和位置及转速处理单元输出的位置信号θ，根据公式（4）、公式（5）和公式（6）换算为旋转坐标系下直、交轴电流和；CLARK变换公式如下：（4）（5）PARK变换公式如下：（6）其中，、为静止坐标系下的直、交轴电流；、、为静止坐标系下的三相交流电流；θ转子位置电角度；和为旋转坐标系下的直、交轴电流；所述转矩在线计算模块包括交流相电流幅值计算单元、永磁体磁链查表模块、直交轴电感查表单元和转矩计算单元；其中，所述交流相电流幅值计算单元根据公式（7）计算交流相电流幅值，输出给永磁体磁链查表模块；（7）其中，为定子相电流幅值；所述永磁体磁链查表模块用于根据交流相电流幅值查表获得永磁体磁链值；所述直交轴电感查表单元根据直交轴电流查表获得直交轴电感和；所述的转矩计算单元根据永磁同步电机转矩公式（8）进行计算；（8）其中，p为电机转子极对数；Te为电磁转矩；转矩公式（8）中，直交轴电流可以通过CLARK和PARK变换单元计算得到，直交轴电感通过直交轴电感查表单元获得，p为电机转子极对数为常数，永磁体磁链根据公式（2）和（3）测量，在电机三相短路情况下，忽略功率模块的管压降，则直交轴电压为零，则（9）当电机机械转速ω趋近于无穷大时，iq趋近于零，id约等于is，则有，（10）因此，不同温度下永磁体磁链与定子相电流幅值对应关系可以离线标定，标定完成后存储为表格，表格以定子相电流幅值为索引，输出为永磁体磁链数值，将永磁体磁链数值带入到公式（8）中，即可在线计算永磁同步电机输出转矩；所述直交轴电感查表单元，直交轴电感是直交轴的电流的函数，通过有限元仿真软件可以得到直轴电感和直交轴的电流的对应关系，交轴电感同理可得；所述转矩限值生成模块由最大电动数据表，最大发电数据表和数据选择单元组成；根据电机机械转速ω和直流母线电压查最大电动数据表和最大发电数据表，再判断处于电动或者发电状态，由数据选择单元输出最大转矩输出限值Tlimit；所述逆变开关电路包括六个开关元件，开关元件为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，用于执行电机控制器发出的PWM信号，控制相应的开关元件执行开关动作；所述永磁同步电机为三相永磁同步电机，是被控对象，接受逆变开关电路的控制；所述位置传感器为旋转变压器或者绝对位置光电编码器，其用于检测电机转子绝对位置；所述三相电流传感器为基于霍尔效应的非接触式电流传感器或基于利用串入相线中电阻产生电压原理的接触式电流传感器，其用于检测永磁同步电机的三相电流，并将采集的电流信号输出到CLARK和PARK变换单元。