[发明专利]一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法

权利要求书

1.一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法，其特征在于由整车控制单元、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；

所述整车控制单元根据整车工作模式，通过CAN总线向电机控制器发出三相短路控制T_psc和转矩指令T_cmd；

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，CLARKPARK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T_psc和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足T_psc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T_cmd和转矩在线计算模块输出的计算值T_online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，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不相等时，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T_cmd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：

eo＝out{out(t)＝K_p·e(t)+K_i∫e(t)}

其中，eo为PI计算输出值，out为经限幅后输出值，K_p为比例系数，K_i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i_{d_cmd}和交轴电流指令命令值i_{q_cmd}以及CLARKPARK变换单元输出的直轴电流反馈值i_dfeedback和交轴电流反馈值i_qfeedback，进行PI 运算，获得直交轴电流参考值i_d^*和i_q^*，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u_d^*和u_q^*，具体公式如下：

u_d^*＝Ri_d^*-pωL_qi_q^* (2)

u_q^*＝Ri_q^*+pω(L_di_d^*+ψ_m) (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，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d^*为直轴电流参考值，i_q^*为交轴电流参考值，u_d^*为直轴电压解耦值，u_q^*为交轴电压解耦值，ψ_m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T_psc和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足T_psc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CLARKPARK变换单元接收电流传感器检测到的三相电流i_a、i_b、i_c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i_d、i_q；

CLARK变换公式如下：

i_α＝i_a (4)

PARK变换公式如下：

其中，i_α、i_β为静止坐标系下的α、β轴电流；i_a、i_b、i_c为静止坐标系下的三相交流电流；θ转子位置电角度；i_d、i_q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；

其中，i_s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L_d和L_q；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；

其中，p为电机转子极对数；T_e为电磁转矩；

转矩公式(8)中，直交轴电流通过CLARKPARK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

当电机机械转速ω趋近于无穷大时，i_q趋近于零，i_d约等于i_s，则有，

ψ_m≈-L_di_s (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T_limit；

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CLARKPARK变换单元；

本方法的实现步骤如下:

第一步：电机控制器接收整车控制单元的CAN总线信号并通过CAN指令分解单元生成转矩命令值T_cmd和三相短路控制T_psc；

第二步：以转矩指令T_cmd、转矩在线计算值T_online和转矩限值T_limit为输入，由转矩PI调节控制模块生成转矩参考值T^*；

第三步：根据转矩参考值T^*查MTPA表获得直交轴电流指令i_{d_cmd}和i_{q_cmd}；

第四步：将直轴和交轴电流指令i_{d_cmd}和i_{q_cmd}与直轴和交轴电流反馈值i_dfeedback和i_qfeedback输入到直交轴电流PI调节模块，生成直交轴电流指令参考i_d^*和i_q^*；

第五步：根据永磁同步电机稳态电压方程计算直交轴解耦电压参考值u_d^*和u_q^*；

第六步：由空间矢量调制单元判断主动短路信号是否为1；如是，则进入第七步；如否，则进入第十一步；

第七步：由空间矢量调制单元判断电机机械转速是否超过拐点转速；如是，则进入第八步；如否，则进入第十一步；

第八步：输出三相短路控制信号到逆变开关电路；

第九步：根据公式计算相电流幅值i_s，查表获得永磁体磁链数值；

第十步：根据转矩公式在线计算电机输出转矩T_online，退出本次控制；

第十一步：根据直交轴电压参考值和位置信号计算PWM信号占空比，输出到逆变开关电路，退出本次控制；以上控制过程为一次控制周期的必要步骤，实际工作过程中，以上步骤循环运行。