專利名稱：電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)用ipm電機(jī)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要是關(guān)于電動(dòng)汽車用IPM永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法，以大 轉(zhuǎn)矩輸出，寬范圍調(diào)速，高效率運(yùn)行作為最終目標(biāo)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。
二背景技術(shù)：
發(fā)展電動(dòng)汽車是解決石油資源危機(jī)及日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題的有效途 徑。與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動(dòng)汽車具有可以使城市空氣和噪聲污染顯著降低、 能源利用更加合理、廣泛等顯著優(yōu)點(diǎn)。其中電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟， 是提高電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)性能、 一次充電行駛里程及可靠性的根本保證。尤其 是在目前蓄電池技術(shù)未取得突破的背景下，出色的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是保證電動(dòng)汽 車?yán)m(xù)行里程、使之實(shí)用化的關(guān)鍵。
電動(dòng)汽車需要運(yùn)行于較寬的負(fù)載和速度范圍，以及復(fù)雜的路況下，其驅(qū) 動(dòng)用電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況非常惡劣，不僅表現(xiàn)在路面、氣候及大幅度變化的交 通狀況，更重要的是由于電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)靠蓄電池這種有限能量電源供電， 而蓄電池的電壓變化范圍大，特別是當(dāng)電壓降至臨界值時(shí)的實(shí)際容量受到極 大的限制，上述因素嚴(yán)重影響著電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的整體性能。電動(dòng)汽 車用電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)必須綜合考慮上述因素，保證系統(tǒng)性能優(yōu)異、高效和 可靠。因此，與其它方面的應(yīng)用相比，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用電機(jī)及其控制系統(tǒng)必
須滿足如下的特殊要求
1) 要有足夠的瞬時(shí)功率和較寬調(diào)速范圍。低速運(yùn)行應(yīng)能夠提供足夠大的 轉(zhuǎn)矩，以滿足電動(dòng)車在運(yùn)行中的起動(dòng)、爬坡等要求；能夠在高轉(zhuǎn)速下正常運(yùn)
行，以滿足汽車高速行駛及超車的需求。
2) 在整個(gè)運(yùn)行過程中必須具有較高的效率，以提高電動(dòng)車一次充電行駛 里程數(shù)，滿足電動(dòng)車長時(shí)間、長距離行駛的要求。 '
3) 要有較強(qiáng)的過載能力、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及良好的起動(dòng)加速性能。目的 是適應(yīng)路面變化及頻繁起動(dòng)和剎車等復(fù)雜運(yùn)行工況。
4) 較高可靠性、功率密度、轉(zhuǎn)矩密度，以滿足整車要求，且成本低。
5) 操縱性能符合司機(jī)駕駛習(xí)慣，運(yùn)行平穩(wěn)，乘坐舒適，電氣系統(tǒng)故障保護(hù)措施完善。
三
發(fā)明內(nèi)容
由于電動(dòng)車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特殊要求，以及現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足， 本發(fā)明所提供的方法所要解決的技術(shù)問題是
1) 為了使電動(dòng)車在起步時(shí)IPM電機(jī)能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩，基于霍爾位 置傳感器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，提出并采用了 "先粗定位，再掃描" 的方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩電流比控制 策略下的最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。
2) 為了使電動(dòng)車在運(yùn)行時(shí)IPM電機(jī)仍能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)運(yùn)行
后對(duì)轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速算法進(jìn)行準(zhǔn)確校正與改進(jìn)，在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時(shí)采用 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，高速運(yùn)行時(shí)采用了弱磁控制方法，使電機(jī)在高速運(yùn)行 時(shí)仍能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。實(shí)現(xiàn)電機(jī)在低、中、高速的最大轉(zhuǎn)矩輸出控制。
3) 傳統(tǒng)的弱磁電流計(jì)算公式復(fù)雜，且受電機(jī)參數(shù)影響較大，實(shí)現(xiàn)起來會(huì) 有很大的困難。本發(fā)明采用了直流電壓反饋的弱磁控制算法，它無需增加任 何硬件，相對(duì)來說簡潔、直觀，系統(tǒng)開支少，對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性較小，更 具實(shí)用性
四

圖1為電機(jī)矢量控制原理框圖2每一區(qū)域掃描轉(zhuǎn)子初始位置示意圖3IPM電機(jī)工作特性圖4為電機(jī)弱磁控制原理框圖5為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)五具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
1)本電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)由低成本的霍爾位置傳
感器來實(shí)現(xiàn)，霍爾位置傳感器由固定在電機(jī)殼體的3個(gè)霍爾位置傳感器和固 定在轉(zhuǎn)子上的齒鋼盤構(gòu)成，由軟磁材料制成的齒槽通過鋼盤與轉(zhuǎn)子同軸安裝，當(dāng)鋼盤上的齒進(jìn)入霍爾傳感器的檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)元件輸出高電平，當(dāng)槽進(jìn)入 霍爾傳感器的檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，輸出為低電平。三個(gè)霍爾位置傳感器，其在空間上
以相差120°電角度位置安裝。當(dāng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)每隔60電角度將會(huì)出現(xiàn)一 個(gè)霍爾位置信號(hào)的跳變沿。因此一個(gè)電氣周期內(nèi)可獲得6個(gè)確定的轉(zhuǎn)子位置 信號(hào)，而這6個(gè)離散的位置信號(hào)可將整個(gè)電氣周期劃分為6個(gè)寬度相等的區(qū) 間。但是電機(jī)由運(yùn)轉(zhuǎn)到靜止時(shí)，轉(zhuǎn)子的初始位置是隨機(jī)分布的，通過以上的 高低電平信號(hào)，也只能確定轉(zhuǎn)子位于某一個(gè)60。范圍。在轉(zhuǎn)子位置傳感器硬 件條件的限制下，為了達(dá)到靜止時(shí)轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確檢測(cè)使電機(jī)輸出相對(duì)大的 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的冃的，本文提出了以下"先粗定位，再掃描"的方法。
如圖2所示，先由霍爾位置傳感器的三個(gè)輸出信號(hào)確定轉(zhuǎn)子位置處于某 一60區(qū)域，以6個(gè)固定點(diǎn)0。 、 60° 、 120° 、 180° 、 240° 、 300°為轉(zhuǎn)子 位置初值，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的控制周期及電機(jī)參數(shù)等選擇較適合的 步長，在電機(jī)未轉(zhuǎn)動(dòng)之前以此步長在60。范圍內(nèi)，在轉(zhuǎn)子位置初值上進(jìn)行步 長的累加，逐步進(jìn)行掃描(即掃描法)，以尋找轉(zhuǎn)子初始位置的相對(duì)準(zhǔn)確值或 準(zhǔn)確值。值得注意的是，在掃描過程中，轉(zhuǎn)子位置掃描(累加)的步長是個(gè) 關(guān)鍵性的參數(shù)，要根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的控制周期、電機(jī)的參數(shù)、負(fù)載的性 質(zhì)以及具體的電機(jī)起動(dòng)要求來合理選擇，步長過長，由于機(jī)械與電氣慣性環(huán) 節(jié)，會(huì)使電機(jī)或系統(tǒng)來不及響應(yīng)；步長過短，會(huì)致使掃描時(shí)間過長，錯(cuò)過可 啟動(dòng)電機(jī)的合理電流值，使起動(dòng)時(shí)的電機(jī)效率降低、起動(dòng)時(shí)間加長等。
2)常用的數(shù)字測(cè)速方法有三種，即M法測(cè)速、T法測(cè)速和M/T法測(cè) 速。本控制采用T法來檢測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，是通過記錄相鄰兩個(gè)脈沖間的時(shí)間間 隔來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速的，即測(cè)量周期。
電機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，特別適合采用T法，對(duì)霍爾輸出信號(hào)兩次跳變沿 之間通過采樣周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，即計(jì)時(shí)nT，而兩次跳變沿間是60。電氣角度，
60
從而可以通過《 = ^7計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)電機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔極短， 一個(gè)采樣周期
之差都會(huì)使檢測(cè)精度大大降低，所以采用對(duì)120°電氣角度內(nèi)的兩次跳變沿 (即間隔一跳變沿)進(jìn)行采樣周期的計(jì)數(shù)，即計(jì)時(shí)nT，使計(jì)時(shí)時(shí)間加長，可相對(duì)提高電機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)檢測(cè)的精度。
如此，便實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子在低速和高速時(shí)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)。
3) 在電機(jī)的整個(gè)運(yùn)行速度范圍內(nèi)，考慮到由直流母線電壓、電機(jī)及逆變 器所決定的電壓和電流極限，為了使電機(jī)能夠輸出最大的轉(zhuǎn)矩和功率，對(duì)電 機(jī)可進(jìn)行分段控制。圖3為電機(jī)工作特性圖。由圖可以看出，電機(jī)的工作特 性分為三個(gè)區(qū)間，不同區(qū)間內(nèi)對(duì)電機(jī)定子電流的控制方法和策略也不相同， 即所謂的對(duì)電機(jī)進(jìn)行分段控制。
為了使其在盡可能寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出較大的轉(zhuǎn)矩，低轉(zhuǎn)速時(shí)為了發(fā)揮 電機(jī)的凸極效應(yīng)，利用其磁阻轉(zhuǎn)矩，使相對(duì)應(yīng)電流輸出最大的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)當(dāng)采 用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略。
在中速(超過基速)時(shí)，處于恒功率輸出區(qū)域，由于受到逆變器直流側(cè) 電壓和電機(jī)電流極限限制，采用弱磁控制，使電機(jī)在功率范圍內(nèi)、高轉(zhuǎn)速下 輸出較大的轉(zhuǎn)矩。
高速時(shí)由于受到逆變器直流側(cè)電壓的限制，為了使電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下輸出 較大的轉(zhuǎn)矩，采用最大輸出功率控制，使IPM電機(jī)的輸出功率達(dá)到最大， 可以充分發(fā)揮電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩的能力。
4) 高速時(shí)的弱磁控制可以通過下式
<formula>formula see original document page 6</formula>來分配流入電機(jī)定子的交、直軸電流分量，實(shí)現(xiàn)高速時(shí)電機(jī)的弱磁控制。但 在實(shí)際控制系統(tǒng)中，上述弱磁電流分量的計(jì)算公式過于復(fù)雜，再加上電機(jī)參 數(shù)的影響，使電流分量的計(jì)算和實(shí)現(xiàn)起來有很大的困難，運(yùn)行效果比較差，
所以本發(fā)明采用了直流電壓PI算法來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的弱磁控制，如圖4所示。
該控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)直流電壓PI調(diào)節(jié)器，在控制回路中電流PI調(diào) 節(jié)器輸出的給定電壓值反映了對(duì)逆變器直流母線電壓的利用率。依靠控制回 路中的電流PI調(diào)節(jié)器的輸出值作為直流電壓PI調(diào)節(jié)器的輸入控制量，由電流PI調(diào)節(jié)器輸出的給定電壓經(jīng)過函數(shù)計(jì)算所得值與直流母線電壓之間的差 值通過電壓PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一部分弱磁電流，來增加電機(jī)定子電流矢量中的直 軸去磁電流分量。
當(dāng)電機(jī)端電壓較低時(shí)，電壓PI調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)，輸出值為零，此 時(shí)相當(dāng)于最大轉(zhuǎn)矩電流比控制系統(tǒng)，電機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩輸出區(qū)。當(dāng)電機(jī)端電 壓升高到一定值，電壓PI調(diào)節(jié)器輸入為負(fù)值時(shí)，調(diào)節(jié)器開始退出飽和，輸出 負(fù)的弱磁電流分量，其與最大轉(zhuǎn)矩電流比控制得到的直軸電流共同組成了電 機(jī)定子電流中的直軸去磁成分，同時(shí)經(jīng)過dq電流計(jì)算模塊的計(jì)算得到交軸電 流分量。
當(dāng)交、直軸電流分量確定后，通過電流矢量控制，使注入電機(jī)定子內(nèi)的 交、直軸電流跟蹤電流給定值，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的弱磁控制，在此控制過程中 沒有電流給定值的復(fù)雜計(jì)算，實(shí)現(xiàn)起來更加簡潔和靈活。
整個(gè)控制系統(tǒng)的控制原理圖和結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖5所示。根據(jù)這些圖可 以很容易的設(shè)計(jì)出其它系統(tǒng)軟硬件功能。
權(quán)利要求
一種電動(dòng)汽車用IPM電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于(1)利用霍爾傳感器采用“先粗定位，再掃描”的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置的相對(duì)準(zhǔn)確定位，可以使電機(jī)無論在空載、輕載還是重載下都能成功順利起動(dòng)；(2)利用霍爾位置傳感器的輸出信號(hào)通過軟件進(jìn)行上升沿和下降沿的捕獲，根據(jù)信號(hào)跳變沿在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行校正，電機(jī)運(yùn)行時(shí)采用T法測(cè)速，并在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)算法進(jìn)行一定的調(diào)整；(3)在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的正確檢測(cè)下可以進(jìn)行最大轉(zhuǎn)矩電流比控制和弱磁控制這樣一種分段控制策略，保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)矩；(4)采用了直流電壓反饋的弱磁控制算法，它無需增加任何硬件，相對(duì)來說簡潔、直觀，系統(tǒng)開支少，對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性較小，更具實(shí)用性。上述電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成，其中硬件包括以下部分三相電源、三相調(diào)壓器、整流模塊、逆變器、IPM電機(jī)、電機(jī)負(fù)載、傳感器、DSP控制模塊、顯示模塊、PC機(jī)、人機(jī)接口和電源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件部分包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序，PE-View8軟件開發(fā)調(diào)試環(huán)境。DSP主控制模塊是本控制系統(tǒng)硬件的核心。以DSP主控制模塊為中心設(shè)計(jì)和組建系統(tǒng)的控制電路，信號(hào)調(diào)理與隔離模塊實(shí)現(xiàn)各輸入輸出信號(hào)間的電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)間的光電隔離等，使系統(tǒng)工作更加安全和可靠。電壓霍爾信號(hào)、電流霍爾信號(hào)及電機(jī)轉(zhuǎn)子位置霍爾信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理及隔離模塊輸入DSP，通過A/D采樣，經(jīng)過一定的算法得到直流電流、電壓的檢測(cè)量及交流電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋量。數(shù)據(jù)處理模塊通過與DSP主控制模塊的通信，并與PC機(jī)串行通訊在PEVIEW開發(fā)環(huán)境下可對(duì)控制過程中的各個(gè)變量進(jìn)行處理以及波形顯示，使整個(gè)控制過程中各變量的觀察更加直觀和透明化，以便于系統(tǒng)的調(diào)試和檢查。PC機(jī)與DSP控制模塊之間的光纖連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)IPM電機(jī)控制算法的程序編寫、實(shí)驗(yàn)調(diào)試、程序下載以及燒寫等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動(dòng)汽車用IPM電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法，根據(jù)電動(dòng)車用IPM電機(jī)的工作特性和各控制方法的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)提出了一種分段控制策略，以及電機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確檢測(cè)方法。利用霍爾傳感器采用“先粗定位，再掃描”的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置的相對(duì)準(zhǔn)確定位，可以使電機(jī)無論在空載、輕載還是重載下都能成功順利起動(dòng)，大大提高電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行的可靠性。IPM電機(jī)成功起動(dòng)后，可以對(duì)霍爾位置傳感器的輸出信號(hào)通過軟件進(jìn)行上升沿和下降沿的捕獲，根據(jù)信號(hào)跳變沿在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行校正，電機(jī)運(yùn)行時(shí)采用T法測(cè)速，并在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)算法進(jìn)行一定的調(diào)整。在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的正確檢測(cè)下可以進(jìn)行最大轉(zhuǎn)矩電流比控制和弱磁控制這樣一種分段控制策略，保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)矩。由于傳統(tǒng)的弱磁電流計(jì)算公式復(fù)雜，且受電機(jī)參數(shù)影響較大，實(shí)現(xiàn)起來會(huì)有很大的困難，本發(fā)明采用了直流電壓反饋的弱磁控制算法，它無需增加任何硬件，相對(duì)來說簡潔、直觀，系統(tǒng)開支少，對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性較小，更具實(shí)用性。
文檔編號(hào)H02P6/16GK101567655SQ20081003657
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者容 楊, 楊仲慶, 賈要勤 申請(qǐng)人:邁為電子技術(shù)(上海)有限公司