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CN103042948A - 控制包括永磁同步马达的车辆的系统和方法 - Google Patents

控制包括永磁同步马达的车辆的系统和方法 Download PDF

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CN103042948A CN2012103769952A CN201210376995A CN103042948A CN 103042948 A CN103042948 A CN 103042948A CN 2012103769952 A CN2012103769952 A CN 2012103769952A CN 201210376995 A CN201210376995 A CN 201210376995A CN 103042948 A CN103042948 A CN 103042948A
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Abstract

本发明提供一种控制包括永磁同步马达的车辆的系统和方法。所述系统包括控制器，所述控制器被配置成利用马达电流来控制所述马达。在存在预定条件的情况下，马达电流相对于针对最小绕组损耗的最佳马达电流使得绕组损耗增加并使得扭矩波动减小。

Description

控制包括永磁同步马达的车辆的系统和方法
技术领域
本发明涉及通过操纵控制角来减小内置式永磁(PM)电机中的扭矩波动。
背景技术
混合动力电动车辆(HEV)使用电池作为能量储存系统。插电式混合动力电动车辆(PHEV)是现有的混合动力电动车辆(HEV)技术的扩展。PHEV采用容量比标准的混合动力电动车辆的电池组的容量大的电池组，并增加了通过标准电插座给电池再充电的能力，以在电驱动模式或混合驱动模式下减少燃料消耗并进一步提高燃料经济性。还存在电池电动车辆(BEV)应用，在BEV应用中，电机完全取代了内燃发动机。
HEV、PHEV和BEV均包括电动马达驱动系统，所述电动马达驱动系统可包括永磁(PM)同步马达。PM同步马达包括转子，所述转子具有安装在转子外周上或者埋在转子内部的永磁体。电动马达驱动系统产生扭矩波动。马达输出扭矩包含由根据马达的转子位置的磁力变化所引起的扭矩波动。
在用于减小内置式永磁(PM)电机中的扭矩波动的现有方法中，通过电机设计来使扭矩波动最小化。
背景技术信息可在第2008/0246425A1号美国专利公开以及第JP2009195049A号日本专利公开中进行查询。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于控制包括永磁(PM)同步马达的车辆的系统包括控制器。所述控制器被配置成利用马达电流来控制所述马达。在存在预定条件的情况下，马达电流相对于针对最小绕组损耗的最佳马达电流使得绕组损耗增加并使得扭矩波动减小。
所述控制器还可被配置成：确立马达速度；基于马达速度是否落入预定的速度范围内来确定预定条件的存在情况。预定条件的存在情况可进一步基于扭矩命令是否超过预定值。
在一个可能的特征中，在存在预定条件的情况下，马达电流相对于针对最小绕组损耗的最佳马达电流使得控制角减小至少5度。
在本发明的另一实施例中，提供一种控制包括永磁(PM)同步马达的车辆的方法。校准马达以使得对于每个扭矩命令均存在对应的直轴(d轴)电流命令和交轴(q轴)电流命令。所述方法包括：建立扭矩命令；分别确定对应于扭矩命令的d轴电流命令Id和q轴电流命令Iq；基于Id、Iq控制马达。在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得绕组损耗增加并使得扭矩波动减小。
本发明的实施例可包括各种附加特征中的一个或多个。在一个特征中，在不存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小扭矩波动的最佳Id和Iq使得绕组损耗减小并使得扭矩波动增加。在另一特征中，所述方法还包括：确立马达速度；基于马达速度是否落入预定的速度范围内来确定预定条件的存在情况。在另一特征中，所述方法还包括：进一步基于扭矩命令是否超过预定值来确定预定条件的存在情况。
在一个可能的特征中，在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得峰值电流增加。
在另一可能的特征中，在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得控制角减小至少5度。
在另一实施例中，提供一种用于控制包括永磁(PM)同步马达的车辆的系统。校准马达以使得对于每个扭矩命令均存在对应的直轴(d轴)电流命令和交轴(q轴)电流命令。所述系统包括控制器，所述控制器被配置成：建立扭矩命令；分别确定对应于扭矩命令的d轴电流命令Id和q轴电流命令Iq；基于Id、Iq控制马达。在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得绕组损耗增加并使得扭矩波动减小。
附图说明
图1是动力分流式动力系统构造的示意图；
图2是框图形式的动力系统动力流向图的示意图；
图3示出了包括马达控制器和永磁(PM)同步马达的电动马达装置；
图4示出了在本发明的实施例中对包括永磁(PM)同步马达的车辆的控制；
图5示出了在峰值电流为300A时，由8极48槽的内置式PM电机产生的作为控制角(θ)的函数的平均扭矩和扭矩谐波；
图6示出了利用针对最小损耗被优化的控制角(θ＝40度)获得的扭矩波形与利用针对最小扭矩波动被优化的控制角(θ＝26度)获得的扭矩波形的比较；
图7示出了在本发明的实施例中减小扭矩波动的方法。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应该理解的是，公开的实施例仅仅是本发明的示例性实施例，本发明可以以各种及替代的形式实施。附图未必按比例绘制；一些特征可能会被夸大或最小化，以显示特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能上的细节不应该被解释为限制，而仅仅被解释为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基准。
本发明包括通过操纵控制角来控制内置式永磁(PM)电机中的扭矩波动的各个方面。马达控制器通常被调谐成使损耗最小化并使燃料效率最大化。根据本发明，马达控制器可被调谐成在一定条件下(例如，在一定的马达速度水平和扭矩水平下)使扭矩波动最小化。更加详细地讲，在特定的速度水平和扭矩水平下，内置式PM电机可以以使波动(而非损耗)最小化的控制参数进行操作。
本发明的实施例可在各种应用中实现。一个示例是混合动力电动车辆动力系。
图1中示出了混合动力电动车辆动力系。车辆系统控制器(VSC)10、电池和电池能量控制模块(BECM)12以及包括马达发电机子系统的变速器14通过控制器局域网(CAN)进行通信。由VSC 10控制的内燃发动机16通过扭矩输入轴18将扭矩分配至变速器14。
变速器14包括行星齿轮单元20，行星齿轮单元20包括环形齿轮22、中心齿轮24和行星架总成26。环形齿轮22将扭矩分配至变速齿轮(包括啮合齿轮元件28、30、32、34和36)。变速器14的扭矩输出轴38通过差速器及车桥机构42被可驱动地连接至车辆牵引轮40。
齿轮30、32和34安装在中间轴上，齿轮32与马达驱动的齿轮44啮合。电动马达46驱动齿轮44，齿轮44作用为中间轴齿轮装置的扭矩输入件。
电池通过能量流动路径48、54向马达46传递电能。如52处所示，发电机50以已知方式电连接至电池及马达46。
如本领域技术人员所了解的，图1的动力分流式动力系统可以以多种不同的模式操作。如图所示，传动系有两个动力源。第一动力源为发动机子系统和发电机子系统的组合，发动机子系统和发电机子系统利用行星齿轮单元20连接在一起。另一动力源包括电驱动系统(包括马达46、发电机50和电池)，其中，电池作用为发电机50和马达46的能量储存介质。
通常，VSC 10计算满足驱动轮动力需求加上所有附件负载所需的总发动机动力，并独立安排带有或不带有实际发动机性能反馈的发动机速度和负载操作点，以满足总的动力需求。这种类型的方法通常用于使燃料经济性最大化，并可用在具有(例如)VSC的其他类型的动力系统中。
图2中示出了图1中所示的动力分流式动力系图的各个元件之间的能量流动路径。基于驾驶员输入和其他输入安排燃料供应计划。发动机16向行星齿轮单元20传递动力。附件负载减少了可用的发动机制动力。通过行星环形齿轮将动力传递至中间轴齿轮30、32、34。从变速器输出的动力驱动车轮。
发电机50在作用为马达时可向行星齿轮单元传递动力。当作用为发电机时，发电机50由行星齿轮单元驱动。类似地，马达46和中间轴齿轮30、32、34之间的动力分配可沿任一方向进行。
如图1和图2中所示，可通过控制发电机50而将发动机动力输出分成两条路径。在操作中，系统确定驾驶员对扭矩的需求，并在两个动力源之间实现最佳的动力分流。
图3示出了电动马达70。电动马达70包括马达控制器72和永磁(PM)同步马达74。可根据本发明的实施例控制电动马达70。本发明的实施例在使用PM同步马达的混合动力及电动车辆中是有用的。例如，马达46或发电机50(图1和图2)可被实现为PM同步马达，而电动马达70可代表马达46或发电机50。本发明的实施例在其他应用中也是有用的，电动马达70可代表一些其他的电动马达。
总体上，在本示例中，通过向控制PM同步马达74的马达控制器72提供扭矩命令来操作电动马达70，电动马达70试图提供命令的扭矩输出。如本领域技术人员所了解的，马达控制器72可接收其他输入(例如，可用电压和当前马达速度)。
更加详细地讲，图4示出了控制PM同步马达74的示例性方法。校准电动马达，以使得对于每个平均扭矩命令和马达速度，分别存在对应的直轴(d轴)电流命令Id_cmd和交轴(q轴)电流命令Iq_cmd，如查找表或映射表80处所示。
电流调节器90基于Id_cmd和Iq_cmd对PM同步马达74进行控制。更加详细地讲，电流调节器90产生d轴电压命令Vd_cmd和q轴电压命令Vq_cmd。进而，以已知方式分别测量反馈的d轴电流Id_fdb和反馈的q轴电流Iq_fdb。电流调节器90接收Id_fdb和Iq_fdb。
图4是控制PM同步马达74的示例；其他控制技术也是可行的。
本发明的实施例允许马达控制器被调谐成在一定条件下(例如，在一定的马达速度水平和扭矩水平下)使扭矩波动最小化。更加详细地讲，查找表80包含用于在各种扭矩/速度对(torque/speed pair)下操作马达的控制参数。在大多数扭矩/速度对下，控制参数Id电流命令Id_cmd和控制参数Iq电流命令Iq_cmd可被调谐成使损耗最小化并使燃料效率最大化。然而，在一定的扭矩/速度对下，控制参数Id_cmd和Iq_cmd可被调谐成使波动(而非损耗)最小化，这在下面参照图5至图7进行进一步的解释。
扭矩波动是电机在其稳态扭矩附近产生的不期望的扭矩振荡。扭矩波动会导致产生不期望的噪声和振动。本发明的实施例通过改变控制角(atan(Id/Iq))来减小扭矩波动。具体地讲，在存在预定条件的情况下，马达电流相对于针对最小绕组损耗的最佳马达电流使得控制角减小至少5度，也就是说，在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得控制角减小至少5度。有利地，用于减小扭矩波动的这种方法允许在现有的电机设计中解决噪声和振动问题。
在现有的马达控制器中，对于给定的扭矩请求，马达控制器被调谐或者被编程为自动地应用使马达损耗最小化的控制参数(Id_cmd、Iq_cmd)。根据本发明，马达控制器被调谐或者被编程为在一定的扭矩/速度对下减小扭矩波动。
扭矩谐波是控制角(atan(Id/Iq))的强函数(strong function)。图5示出了在峰值电流为300A时，由8极48槽的内置式PM电机产生的作为控制角(θ)的函数的平均扭矩和扭矩谐波。平均扭矩(Tave)总体上由100指示。从损耗最小的立场得到的最佳控制角为θ＝40度，并在102处示出。针对最小谐波的最佳控制角为θ＝26度，并在104处示出。24次谐波扭矩(H_24th)总体上由110指示。48次谐波扭矩(H_48th)总体上由120指示。如图所示，随着控制角接近从损耗最小的立场得到的最佳值，24次谐波扭矩和48次谐波扭矩显著增加。在HEV、PHEV、BEV牵引应用中，以不使损耗最小化的控制参数持续操作是不可取的。然而，如果存在特定的马达速度(在该马达速度下，存在噪声和振动问题)，则针对该特定的操作点应用新的控制策略将允许扭矩波动大大减小，而不会对车辆燃料经济性造成重大影响。
继续参照图5，在本示例中，在相电流为300A并且控制角θ＝40度的情况下，电机可产生122Nm的扭矩。如图6中所示，在相电流为350A并且控制角θ＝26度的情况下，相同的电机可产生相同的122Nm的扭矩。图6示出了利用针对最小损耗被优化的控制角(θ＝40度)获得的扭矩波形与利用针对最小扭矩波动被优化的控制角(θ＝26度)获得的扭矩波形的比较。扭矩波形140具有针对最小损耗的控制角θ＝40度。扭矩波形150具有针对最小扭矩波动的控制角θ＝26度。后者的控制策略(θ＝26度)产生的绕组损耗比前者的控制策略(θ＝40度)产生的绕组损耗高36％，但是后者的控制策略(θ＝26度)使24次谐波扭矩和48次谐波扭矩分别减小到前者的控制策略(θ＝40度)的56.6％和47.5％。每当扭矩谐波可被容许时，就应当选择第一控制角(θ＝40度)，可选择波动减小且损耗较高的控制角(θ＝26度)以解决特定的噪声和振动问题。
在下表中示出了利用针对最小损耗被优化的控制角(θ＝40度)获得的扭矩波形与利用针对最小扭矩波动被优化的控制角(θ＝26度)获得的扭矩波形的比较。
表1
Figure BDA00002227438000061
图7示出了在本发明的实施例中减小扭矩波动的方法。在本示例中，混合动力车辆具有在电动牵引马达以速度Sp_crit＝300rpm运转并产生比扭矩T_crit＝120Nm大的输出扭矩时出现的不期望的振动。为了避免该振动，马达控制器必须得检测到马达速度和扭矩正接近临界值。达到此目的的一种方法是检测速度何时在第一速度(Sp_1＝Sp_crit-delta)和第二速度(Sp_2＝Sp_crit+delta)之间(其中，delta是为了提高方法稳健性而确定的一定量)，并检测扭矩何时大于T_crit。当检测到这些条件时，马达控制器切换到特定的操作模式，在该操作模式下，以波动减小(而非损耗最小)为基础来选择控制角。在速度水平和扭矩水平已经返回到远离临界值的值之后，可恢复正常的控制策略。
在图7中，流程始于框160。在框162处，从车辆系统控制器(VSC)获得扭矩命令和速度命令。在框164处，检查马达速度，以确定马达速度是否正接近临界值Sp_crit。在框166处，检查扭矩，以确定扭矩是否正接近扭矩临界值T_crit。当确定马达速度和扭矩正接近临界值时，流程进行到框168，马达控制器使用针对低扭矩波动被优化的Id和Iq映射表。否则，流程进行到框170，马达控制器使用针对燃料经济性被优化的Id和Iq映射表。
应该理解的是，针对低扭矩波动的Id命令和Iq命令可以以各种方法实现。在第一示例中，单个查找表或映射表包含Id命令和Iq命令，映射表的特定部分可包含用于使波动(而非损耗)最小化的控制参数Id和Iq，而映射表的剩余部分可包含用于使损耗最小化的控制参数Id和Iq。在另一示例中，第一查找表包含用于使损耗最小化的控制参数Id和Iq；第二查找表包含用于使波动最小化的控制参数Id和Iq。速度值和扭矩值用于选择使用哪一个查找表。
尽管在上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并非意在描述了本发明所有可能的形式。相反，在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。另外，实现的各个实施例的特征可被结合，以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (12)

1.一种用于控制包括永磁(PM)同步马达的车辆的系统，所述系统包括控制器，所述控制器被配置成：
利用马达电流来控制所述马达，其中，在存在预定条件的情况下，马达电流相对于针对最小绕组损耗的最佳马达电流使得绕组损耗增加并使得扭矩波动减小。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：
确立马达速度；
基于马达速度是否落入预定的速度范围内来确定预定条件的存在情况，并进一步基于扭矩命令是否超过预定值来确定预定条件的存在情况。
3.如权利要求2所述的系统，其中，在存在预定条件的情况下，马达电流相对于针对最小绕组损耗的最佳马达电流使得控制角减小至少5度。
4.如权利要求1所述的系统，其中，在存在预定条件的情况下，马达电流相对于针对最小绕组损耗的最佳马达电流使得控制角减小至少5度。
5.一种控制包括永磁(PM)同步马达的车辆的方法，校准所述马达以使得对于每个扭矩命令均存在对应的直轴(d轴)电流命令和交轴(q轴)电流命令，所述方法包括：
建立扭矩命令；
分别确定对应于扭矩命令的d轴电流命令Id和q轴电流命令Iq；
基于Id、Iq控制所述马达，
其中，在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得绕组损耗增加并使得扭矩波动减小。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在不存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小扭矩波动的最佳Id和Iq使得绕组损耗减小并使得扭矩波动增加。
7.如权利要求6所述的方法，所述方法还包括：
确立马达速度；
基于马达速度是否落入预定的速度范围内来确定预定条件的存在情况。
8.如权利要求7所述的方法，所述方法还包括：
进一步基于扭矩命令是否超过预定值来确定预定条件的存在情况。
9.如权利要求8所述的方法，其中，在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得峰值电流增加。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得控制角减小至少5度。
11.如权利要求5所述的方法，其中，在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得峰值电流增加。
12.如权利要求11所述的方法，其中，在存在预定条件的情况下，Id和Iq相对于针对最小绕组损耗的最佳Id和Iq使得控制角减小至少5度。
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