專利名稱：電動機控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動機控制方法，特別涉及用于電動車的電動機控制方法。
背景技術(shù)：
電動機控制技術(shù)，目的是對使用旋轉(zhuǎn)磁場連續(xù)轉(zhuǎn)動電動機進行控制。電動機控制的要求很高，不僅要求電動機能在各種復(fù)雜的環(huán)境下穩(wěn)定工作，而且要求電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩等物理量能夠被精確地控制。
傳統(tǒng)的控制方法采用速度環(huán)控制，如圖1所示。速度環(huán)反饋控制時，油門深度對應(yīng)給定速度，再由速度控制iq來控制轉(zhuǎn)矩，因此其響應(yīng)速度慢。同時，當(dāng)電動汽車在上坡等路況不好的情況下，阻力比較大，電機容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，速度環(huán)反饋控制系統(tǒng)就會增大電流，以控制電機增加力矩，此時電機很容易因為電流過大而燒毀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決以上問題，提供一種運行安全可靠、反應(yīng)快捷的電動機控制方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種電動機控制方法，包括如下步驟1)設(shè)定目標(biāo)電流將油門深度與電機電流期望值建立對應(yīng)關(guān)系；2)檢測、采集電機三相電流(ia*，ib*，ic*)；3)把當(dāng)前電機的三相電流(ia*，ib*，ic*)經(jīng)過park變換和clark變換轉(zhuǎn)換為電機實際電流(iq*，id*)；把目標(biāo)電流與實際電流的差值作為電流環(huán)的輸入，進行PI調(diào)節(jié)控制；同時檢測電動機轉(zhuǎn)子位置測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角；4)根據(jù)PI調(diào)節(jié)的輸出和電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，進行Park變換，輸出三相電壓值(Va，Vb，Vc)；5)三相電壓值(Va，Vb，Vc)經(jīng)變頻調(diào)節(jié)后，通過三相逆變器驅(qū)動電動機。
上述的電動機控制方法，在所述步驟3)之前，還包括相移補償步驟將所述三相電流(ia*，ib*，ic*)經(jīng)過濾波放大后，加上補償角對延時造成的相移進行補償。所述補償角的值優(yōu)選102°×角速度標(biāo)幺值。
在所述步驟3)PI調(diào)節(jié)過程中，對PI調(diào)節(jié)的積分進行限幅，當(dāng)其超調(diào)時，將上限值或下限值賦予PI調(diào)節(jié)的輸出。在所述步驟3)PI調(diào)節(jié)過程中，在保證系統(tǒng)響應(yīng)快速性的前提下對PI調(diào)節(jié)頻率進行限制，防止PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過快產(chǎn)生超調(diào)。所述步驟3)中檢測電動機轉(zhuǎn)子位置測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的過程包括棄角度壞值步驟采集本次測定轉(zhuǎn)角值，獲取本次理論轉(zhuǎn)角值為本次測定轉(zhuǎn)角值×當(dāng)前速度+上一次轉(zhuǎn)角值或轉(zhuǎn)動時間×當(dāng)前速度+上一次轉(zhuǎn)角值，將本次理論轉(zhuǎn)角值與測定轉(zhuǎn)角值進行比較，當(dāng)其在誤差允許范圍內(nèi)，采用本次測定轉(zhuǎn)角值，當(dāng)其超出了誤差允許范圍時，此次測定轉(zhuǎn)角值為壞值，采用理論位置值作為當(dāng)前的轉(zhuǎn)角值。
由于采用了以上的方案，帶來了以下的有益效果電流環(huán)控制代替速度環(huán)控制，與速度環(huán)控制相比，電流環(huán)控制直接將油門深度對應(yīng)iq，實現(xiàn)快速的動態(tài)響應(yīng)，提高控制精度，其能量利用率高、使電機產(chǎn)生的扭矩大；電動汽車啟動平穩(wěn)、加速度快、續(xù)駛里程大。自動檢測電流大小，把目標(biāo)電流與實際電流的差值作為電流環(huán)的輸入，電流環(huán)采取了經(jīng)典的PI控制方法，防止出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)電流增大而燒毀電機。
在控制過程中對PI調(diào)節(jié)器的積分器進行限幅以達到防止超調(diào)的目的，同時在保證系統(tǒng)響應(yīng)快速性的前提下對PI調(diào)節(jié)頻率進行了限制，保持電流在動態(tài)響應(yīng)過程中不出現(xiàn)過度超調(diào)，在突加負載時不出現(xiàn)超調(diào)或者超調(diào)很小，限制最大電流，保障系統(tǒng)安全運行。
本發(fā)明在測定轉(zhuǎn)子位置時，采取了棄角度壞值方案，提高角度測定的抗干擾性，避免因轉(zhuǎn)子位置錯誤而產(chǎn)生電機失控的情況，大大提高了控制精度和可靠性。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的電機速度環(huán)控制系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明電機電流環(huán)控制系統(tǒng)示意圖；圖3為本發(fā)明的電動機控制設(shè)備的原理框圖；圖4為說明圖3所示控制裝置的功能方框圖；圖5為說明圖4所示的控制裝置的原理框圖；圖6為說明圖4所示的控制裝置的部分原理框圖；圖7為本發(fā)明的控制系統(tǒng)位置檢測部分的示圖；圖8是本發(fā)明用于位置檢測的旋轉(zhuǎn)變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是旋轉(zhuǎn)變壓器工作時實際勵磁信號波形圖；圖10是旋轉(zhuǎn)變壓器正弦輸出信號波形圖；
圖11是旋轉(zhuǎn)變壓器余弦輸出信號波形圖；圖12、圖13是PI調(diào)節(jié)的部分流程圖。
具體實施例方式
下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
如圖2所示，為本發(fā)明的電動機電流環(huán)控制系統(tǒng)示意圖，本發(fā)明涉及的控制策略包括以下步驟在進行電動機的PWM波控制時檢測檔位信號、保護信號及剎車、油門的深度，與電機電流期望值建立對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這些數(shù)據(jù)輸出Id、Iq給定值，即目標(biāo)電流；把當(dāng)前電機的三相電流ia*，ib*，ic*經(jīng)過park變換和clark變換計算出電機實際電流值iq*，id*；把目標(biāo)電流與實際電流的差值作為電流環(huán)的輸入，經(jīng)PI調(diào)節(jié)輸出三相電壓值Va，Vb，Vc；同時檢測電動機轉(zhuǎn)子位置測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ，用于Park變換；最后轉(zhuǎn)化為占空比輸出，控制了PWM波波形；電機與車輪在機械上以5.4∶1變比的齒輪連接，通過踩油門調(diào)整電機轉(zhuǎn)速從而達到控制汽車轉(zhuǎn)速，可以達到無極變速，沒有變速檔位。采用電流環(huán)對三相正弦波電流控制，通過控制電流從而控制扭矩，合理調(diào)整一些參數(shù)，可以獲得更好的控制性能，具有平穩(wěn)性好、調(diào)速性能優(yōu)、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。
如圖12、圖13所示，在控制過程中對PI調(diào)節(jié)器的積分器進行限幅以達到防止超調(diào)的目的，同時在保證系統(tǒng)響應(yīng)快速性的前提下對PI調(diào)節(jié)頻率進行了限制，以免PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過快產(chǎn)生超調(diào)。
同時，本發(fā)明的電動機控制方法采用多種輔助技術(shù)方案，以提高控制可靠性。
相移補償方案由于電流霍爾采集的三相電流信號在進入DSP之前要經(jīng)過濾波放大電路的處理，以濾除高次諧波，但同時這樣也對電流信號造成了延時，從而產(chǎn)生了相移，使得DSP檢測到的不是當(dāng)前電流。相移補償?shù)淖饔镁褪前涯M電路處理中造成的相移用軟件的方法補償起來，具體補償方法為補償角＝(當(dāng)前角速度)/1100*102°＝102°*((當(dāng)前角速度)/1100)＝102°*角速度標(biāo)幺值。其中102°是用信號發(fā)生器測出來的角速度在110rad/s時，模擬電路造成的信號相移參數(shù)，而其相移基本上是隨著角速度的增加而線性增加的。這樣經(jīng)過補償?shù)男盘柧捅贿€原成了與實際電機電流相符的信號。
使用旋轉(zhuǎn)變壓器，由于其內(nèi)部沒有任何電子元件，只有三組線圈，所以它的抗振性、耐溫性、抗腐蝕性、抗灰塵油污、抗干擾性等方面都具有很好的性能，能滿足不同環(huán)境下的使用要求，具有極高的可靠性。
如圖3所示，直流電壓通過逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷杭虞d到電動機30的三相繞組，實現(xiàn)了電動機的驅(qū)動；通過脈沖寬度調(diào)制使逆變電路開關(guān)元件的導(dǎo)通關(guān)斷時間發(fā)生變化，實現(xiàn)了電動機30的速度調(diào)節(jié)。橋式電路的上橋臂的功率開關(guān)元件連接到上橋臂，下橋臂連接到地線。IPM的每一橋臂都并有一個續(xù)流二極管。每一相電路都并有吸收電容，濾掉直流電源的紋波。橋式逆變電路由智能功率模塊(IPM)構(gòu)成，三三導(dǎo)通共有六種狀態(tài)。
通過電流傳感器40采集三相交流電信號，通過電壓傳感器70采集直流側(cè)電壓信號，經(jīng)過兩級濾波放大后送到信號處理器DSP進行運算，去控制6路PWM波形。電流傳感器40測量直流電源逆變后的交流相電流，輸送給DSP，作為計算轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。逆變器10的各相支路的中點與永磁同步電機(PMSM)30的各相繞組的端連接。其中，每個U相繞組、V相繞組和W相繞組的一端與公共中性點連接，也就是星型連接。轉(zhuǎn)子位置傳感器90測得轉(zhuǎn)角位置θ送給DSP，作為Park變換的依據(jù)。其中，經(jīng)過DSP逆運算校正，去掉壞值。電壓傳感器70測量直流電壓。電容80與逆變器10并聯(lián)。大容量的電解電容用來儲能，濾除直流分量的紋波；而小的吸收電容的作用是，在IPM以很高的頻率開斷的過程中，吸收高頻分量和噪聲。
圖4是本發(fā)明方法的控制裝置功能示意圖。DSP的一個定時器用來產(chǎn)生PWM波以控制電機，一個定時器用來產(chǎn)生采樣周期以讀取三相電流、母線電壓信號以及旋變信號，一個定時器用來產(chǎn)生控制周期。
通過空間矢量變換由三相電流信號ia*，ib*，ic*計算得到id、iq，將此id、iq作為實際DQ軸電流，通過電機速度由弱磁線得到id*，由檔位信息以及油門深度得到應(yīng)該輸出的力矩而得到力矩電流iq*，由id*、iq*通過相應(yīng)電壓公式得到Vd、Vq，通過兩處id、iq的偏差使用PI控制對Vd和Vq進行修正。再由Vd、Vq經(jīng)坐標(biāo)變換得到Va、Vb、Vc，得到Va、Vb、Vc后就可以計算三相電壓的占空比，輸出到逆變電路，實現(xiàn)三相電壓的輸出。
角度去壞值部分51測量本次角度測量值與上次測量值之差是否在允許范圍內(nèi)；否則的話，就要根據(jù)轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。速度轉(zhuǎn)換部分52是角度轉(zhuǎn)換為角速度。開關(guān)量輸入和保護信號輸入給DSP，決定id、iq的估計值；電動機相電流根據(jù)θ角進行buck變換(功能框54)，計算id、iq的實際值(功能框55)，與給定值比較。比較結(jié)果進行PI調(diào)節(jié)(功能框59)，它與電壓轉(zhuǎn)換部分53一起計算Vd、Vq，產(chǎn)生三相電(功能框60)。最后決定驅(qū)動波形占空比輸出。
圖5、圖6為控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖?？刂齐娐酚扇龎K電路板組成控制板70接收外部傳感器的信號，DSP71將這些信號進行運算處理，調(diào)整PWM的占空比。
驅(qū)動板80傳遞PWM信號和保護信號，驅(qū)動單元的IPM85模塊具有電流檢測和溫度檢測；當(dāng)發(fā)生過流或過溫故障信號時，保護信號經(jīng)光耦83隔離后傳遞到與門，又經(jīng)濾波電路82和兩級比較器81輸送到控制板上的信號處理器DSP。DSP檢測到保護信號，停止電機。驅(qū)動板兩級比較器和濾波電路的作用是為防止干擾，消除誤保護。DSP發(fā)出的PWM信號經(jīng)總線驅(qū)動器傳遞給IPM，控制其通斷。模擬量輸入包括母線電壓、三相電流、油門深度、剎車深度。母線電壓由電壓霍爾(按標(biāo)定值)檢測，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器輸送給DSP；三相電流由電流霍爾(按標(biāo)定值)檢測，輸送給DSP，控制PWM占空比控制導(dǎo)通時間來變速，形成了電流環(huán)；油門深度和剎車深度由傳感器檢測輸送給DSP。開關(guān)量包括檔位信息和保護信號。檔位信息有手剎(HB)、腳剎(FB)、停車檔(P)、倒車檔(R)、空檔(N)、前進檔(D)。電機保護信號有電量預(yù)充滿信號、電機過溫信號和散熱器過溫信號。電機采用永磁同步電機，它有著優(yōu)良的性能。直流電源由鋰離子動力電池組成。
控制裝置機械結(jié)構(gòu)采用三層式結(jié)構(gòu)，上層是控制板、吸收電容放置處；中間層放置的是驅(qū)動板；底層放置電源板、IPM、電壓霍爾和電流霍爾。
圖7是控制系統(tǒng)位置檢測部分的示圖；位置檢測部分由旋轉(zhuǎn)變壓器、總線驅(qū)動器、旋變解碼芯片和運放組成，它們構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子固定于電機轉(zhuǎn)軸上，它的定子固定于電機后蓋；定子上的三個繞組的引線從后蓋引出。以此檢測轉(zhuǎn)子位置，然后把信息傳送到旋變解碼芯片中，經(jīng)過一系列變換，最后傳輸?shù)紻SP中，使得DSP能夠做出相應(yīng)調(diào)整IPM的開通關(guān)斷。旋轉(zhuǎn)變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，S1-S2為輸入勵磁繞組，S3-S4為正弦輸出繞組，S5-S6為余弦輸出繞組。這三組繞組的工作原理可用下面的方程式來表示。
勵磁繞組外加信號Vs1_s2＝Vp×Sin(ωt)圖9是實際勵磁信號的波形。
在正弦繞組和余弦繞組上感應(yīng)電動勢分別為Vs3_s4＝Vs×Sin(ωt)×Sinθ (1)Vs5_s6＝Vs×Sin(ωt)×Cosθ (2)式中Vs＝kVp，k是傳輸比，圖10和圖11分別是這兩個繞組的正弦、余弦輸出信號波形。
根據(jù)(1)和(2)，有tanθ＝Vs3_s4/Vs5_s6(3)根據(jù)方程式(3)，只要檢測出正余弦信號的幅度和極性就能計算出轉(zhuǎn)子的軸角度值。解算單元就是應(yīng)用了這個原理，它輸出勵磁信號Vs1_s2至旋轉(zhuǎn)變壓器，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正弦信號Vs3_s4和余弦信號Vs5_s6計算出電機的旋轉(zhuǎn)方向，角速度以及轉(zhuǎn)子位置θ；然后通過數(shù)據(jù)總線將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到DSP處理單元。
因為旋轉(zhuǎn)變壓器不是完全可靠的，取信號過程也不是完全隔絕干擾的，所以在控制過程中有可能得到錯誤的位置信號。為了避免因為錯誤的轉(zhuǎn)子位置信號而產(chǎn)生電機失控的情況，控制方案中采用了棄角度壞值方案。對采集進來的轉(zhuǎn)子測定轉(zhuǎn)角值進行判斷，即把測定轉(zhuǎn)角值間隔與當(dāng)前速度相乘，然后再加上上一次的轉(zhuǎn)角值，得到這一次的理論轉(zhuǎn)角值，與這一次的測定轉(zhuǎn)角值進行判斷，看是否在誤差允許范圍內(nèi)，如果超出了誤差允許范圍，則認為此次采集的測定轉(zhuǎn)角值為壞值，應(yīng)拋棄。然后把計算出來的理論轉(zhuǎn)角值當(dāng)作正確的位置，這樣就達到了去角度壞值的目的。
去角度壞值方案的理論轉(zhuǎn)角值也可以設(shè)定為轉(zhuǎn)動時間×當(dāng)前速度+上一次轉(zhuǎn)角值。
一旦旋轉(zhuǎn)變壓器的信號出現(xiàn)錯誤，如幅度、頻率發(fā)生異常，這時解算單元將檢測到這個錯誤，同時將向DSP處理器發(fā)送一個指示錯誤的信號。DSP處理器將響應(yīng)這個錯誤，控制PWM波使逆變器停止工作，復(fù)位解算單元，等到旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號正常時才恢復(fù)系統(tǒng)至正常工作狀態(tài)為了使勵磁信號具有穩(wěn)定的波形和足夠的驅(qū)動能力，在解算電路的勵磁輸出和旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁輸入之間增壓一個功率放大電路23，該放大電路采用了差分放大的電路形式以減小波形的失真。
為了解決實際使用中的干擾問題，同時為了限定正弦信號和余弦信號的幅度在解算單元的允許電壓范圍之內(nèi)。采用π形RC濾波器25，將信號進行低通濾波。
此外，為了兼容解算電路和DSP處理器的數(shù)字邏輯電平，增加電路的穩(wěn)定性和驅(qū)動能力，在解算電路和DSP處理器之間增加一個總線驅(qū)動器21。
權(quán)利要求
1.一種電動機控制方法，包括如下步驟1)設(shè)定目標(biāo)電流將油門深度與電機電流期望值建立對應(yīng)關(guān)系；2)檢測、采集電機三相電流(ia*，ib*，ic*)；3)把當(dāng)前電機的三相電流(ia*，ib*，ic*)經(jīng)過park變換和clark變換轉(zhuǎn)換為電機實際電流(iq*，id*)；把目標(biāo)電流與實際電流的差值作為電流環(huán)的輸入，進行PI調(diào)節(jié)控制；同時檢測電動機轉(zhuǎn)子位置測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角；4)根據(jù)PI調(diào)節(jié)的輸出和電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，進行Park和Clark逆變換，輸出三相電壓值(Va，Vb，Vc)；5)三相電壓值(Va，Vb，Vc)經(jīng)變頻調(diào)節(jié)后，通過三相逆變器驅(qū)動電動機。
2.如權(quán)利要求1所述的電動機控制方法，其特征是在所述步驟3)之前，還包括相移補償步驟將所述三相電流(ia*，ib*，ic*)經(jīng)過濾波放大后，加上補償角對延時造成的相移進行補償。
3.如權(quán)利要求2所述的電動機控制方法，其特征是所述補償角的值為102°×角速度標(biāo)幺值。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的電動機控制方法，其特征是在所述步驟3)PI調(diào)節(jié)過程中，對PI調(diào)節(jié)的積分進行限幅，當(dāng)其超調(diào)時，將上限值或下限值賦予PI調(diào)節(jié)的輸出。
5.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的電動機控制方法，其特征是在所述步驟3)PI調(diào)節(jié)過程中，在保證系統(tǒng)響應(yīng)快速性的前提下對PI調(diào)節(jié)頻率進行限制，防止PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過快產(chǎn)生超調(diào)。
6.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的電動機控制方法，其特征是所述步驟3)中檢測電動機轉(zhuǎn)子位置測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的過程包括棄角度壞值步驟采集本次測定轉(zhuǎn)角值，獲取本次理論轉(zhuǎn)角值為(本次測定轉(zhuǎn)角值×當(dāng)前速度+上一次轉(zhuǎn)角值)或(轉(zhuǎn)動時間×當(dāng)前速度+上一次轉(zhuǎn)角值)，將本次理論轉(zhuǎn)角值與測定轉(zhuǎn)角值進行比較，當(dāng)其在誤差允許范圍內(nèi)，采用本次測定轉(zhuǎn)角值，當(dāng)其超出了誤差允許范圍時，此次測定轉(zhuǎn)角值為壞值，采用理論位置值作為當(dāng)前的轉(zhuǎn)角值。
7.如權(quán)利要求4中所述的電動機控制方法，其特征是所述步驟3)中檢測電動機轉(zhuǎn)子位置測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的過程包括棄角度壞值步驟采集本次測定轉(zhuǎn)角值，獲取本次理論轉(zhuǎn)角值為(本次測定轉(zhuǎn)角值×當(dāng)前速度+上一次轉(zhuǎn)角值)或(轉(zhuǎn)動時間×當(dāng)前速度+上一次轉(zhuǎn)角值)，將本次理論轉(zhuǎn)角值與測定轉(zhuǎn)角值進行比較，當(dāng)其在誤差允許范圍內(nèi)，采用本次測定轉(zhuǎn)角值，當(dāng)其超出了誤差允許范圍時，此次測定轉(zhuǎn)角值為壞值，采用理論位置值作為當(dāng)前的轉(zhuǎn)角值。
8.如權(quán)利要求5中所述的電動機控制方法，其特征是所述步驟3)中檢測電動機轉(zhuǎn)子位置測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的過程包括棄角度壞值步驟采集本次測定轉(zhuǎn)角值，獲取本次理論轉(zhuǎn)角值為(本次測定轉(zhuǎn)角值×當(dāng)前速度+上一次轉(zhuǎn)角值)或(轉(zhuǎn)動時間×當(dāng)前速度+上一次轉(zhuǎn)角值)，將本次理論轉(zhuǎn)角值與測定轉(zhuǎn)角值進行比較，當(dāng)其在誤差允許范圍內(nèi)，采用本次測定轉(zhuǎn)角值，當(dāng)其超出了誤差允許范圍時，此次測定轉(zhuǎn)角值為壞值，采用理論位置值作為當(dāng)前的轉(zhuǎn)角值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電動機控制方法，以電流環(huán)控制代替速度環(huán)控制，電流環(huán)控制直接將油門深度對應(yīng)i
文檔編號B60L15/20GK1861443SQ200510020900
公開日2006年11月15日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月12日
發(fā)明者廖勇, 周旭光, 馬先紅, 齊阿喜, 楊廣明, 謝飛, 張金濤 申請人:比亞迪股份有限公司