電機(jī)扭矩容量確定的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電機(jī)扭矩容量確定。一種車(chē)輛包括電機(jī)，電機(jī)配置有至少一個(gè)控制器，所述至少一個(gè)控制器通過(guò)使用電壓總線發(fā)出扭矩命令。所述控制器可被配置成：基于包括車(chē)輛速度、加速踏板位置、制動(dòng)踏板位置和各種其他車(chē)輛數(shù)據(jù)的多個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)輸入，對(duì)扭矩請(qǐng)求作出響應(yīng)。控制器可通過(guò)基于電機(jī)的速度和總線上的電壓發(fā)出針對(duì)電機(jī)的扭矩命令，而對(duì)超過(guò)閾值的扭矩請(qǐng)求作出響應(yīng)。基于電機(jī)的速度和總線上的電壓，當(dāng)所述速度和所述電壓改變時(shí)，控制器可使得電機(jī)的扭矩輸出恒定。使用電機(jī)的速度與總線上的電壓計(jì)算比值以確定扭矩容量可在所述比值恒定時(shí)產(chǎn)生恒定扭矩。
【專利說(shuō)明】電機(jī)扭矩容量確定
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)用于各種應(yīng)用，其原因是相對(duì)于其他類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，PMSM通常具有良好的效率特性。通常，PMSM在定子內(nèi)具有三個(gè)獨(dú)立的電繞組，這三個(gè)獨(dú)立的電繞組分別由振蕩的交流(AC)電壓源供電。電動(dòng)機(jī)的軸扭矩和功率轉(zhuǎn)換效率取決于振蕩電壓的振幅和相位角。
[0003]在諸如電動(dòng)車(chē)輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛的特定應(yīng)用中，可從不振蕩的直流(DC)電壓源(例如，電池)獲得電功率。因此，逆變器用于將不振蕩電壓轉(zhuǎn)換成三個(gè)振蕩電壓。逆變器包含離散數(shù)量的開(kāi)關(guān)裝置，因此，逆變器能夠在三個(gè)電動(dòng)機(jī)端子中的每個(gè)電動(dòng)機(jī)端子處僅供應(yīng)離散數(shù)量的電壓電平。對(duì)于兩電平逆變器來(lái)說(shuō)，在任何時(shí)刻，開(kāi)關(guān)裝置都被設(shè)置為將三個(gè)AC端子中的每個(gè)AC端子電連接到正DC端子或負(fù)DC端子。因此，可獲得8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這些開(kāi)關(guān)狀態(tài)中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)被稱為零狀態(tài)，在這兩個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，所有的三個(gè)AC端子均連接到相同的DC端子。在其余的六個(gè)狀態(tài)下，一個(gè)AC端子連接到DC總線端子中的一個(gè)，其他兩個(gè)AC端子連接到相反的DC總線端子。逆變器能夠在這8個(gè)狀態(tài)之間快速地切換。
[0004]已知兩種基本的控制方法用于在逆變器狀態(tài)之間進(jìn)行切換，以調(diào)節(jié)PMSM的扭矩輸出。在六步法中，每經(jīng)歷一個(gè)轉(zhuǎn)子周期，逆變器就循環(huán)通過(guò)六個(gè)非零狀態(tài)一次，從而在每個(gè)繞組中產(chǎn)生振蕩電壓和電流。轉(zhuǎn)子周期相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的極進(jìn)行限定，其不一定對(duì)應(yīng)于周轉(zhuǎn)(complete revolution)。AC電壓的振幅由DC電壓決定。扭矩由DC電壓、轉(zhuǎn)子速度以及這些準(zhǔn)正弦AC電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置之間的相位差決定?？刂破飨蚰孀兤靼l(fā)出指示何時(shí)切換到序列中的下一個(gè)狀態(tài)的命令。在PWM方法中，逆變器在兩個(gè)非零狀態(tài)和一個(gè)零狀態(tài)之間非?？焖俚厍袚Q。控制器通過(guò)指定PWM占空比來(lái)指定應(yīng)該花費(fèi)在這三個(gè)狀態(tài)中的每個(gè)狀態(tài)上的時(shí)間百分比?？刂破髅扛粢欢〞r(shí)間更新這些占空比，使得更新的頻率明顯高于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率。
[0005]在圖1中示出的示例性實(shí)施例中示出了典型的PMSM的一些一般特性。操作區(qū)域取決于DC電壓。如圖所示，在參考DC電壓時(shí)，正速度正扭矩操作區(qū)域可以以實(shí)線110、112和114為邊界。在低速時(shí)，最大可用扭矩可由最大繞組電流限制，如由線110所指示的。線112指示在更高的速度時(shí)由電壓限制的最大可用扭矩。在被稱為拐點(diǎn)的點(diǎn)116處，電流和電壓均處于其各自的最大值。線114指示整體最大額定速度。虛線指示在DC電壓高于參考DC電壓時(shí)對(duì)應(yīng)的操作區(qū)域。在磁芯不飽和且電流或電壓沒(méi)有表現(xiàn)出任何無(wú)用的增加的情況下，PMSM不能實(shí)現(xiàn)超過(guò)由最大繞組電流限制的扭矩突增。如果扭矩突增超過(guò)電機(jī)的最大操作扭矩額定值，則換向器處的過(guò)量火花會(huì)導(dǎo)致PMSM不可修復(fù)地?fù)p壞。
[0006]PMSM可產(chǎn)生正扭矩或負(fù)扭矩，且可沿著正方向或負(fù)方向旋轉(zhuǎn)。在正速度負(fù)扭矩象限中，PMSM用作發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。在該象限中，雖然對(duì)應(yīng)于電壓限制的最小扭矩曲線可能不是線112的鏡像，但是特性類(lèi)似于在圖1中示出的特性。負(fù)速度區(qū)域緊密跟隨圍繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180度的正速度區(qū)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]一種車(chē)輛包括電機(jī)，電機(jī)配置有至少一個(gè)控制器，所述至少一個(gè)控制器通過(guò)使用電壓總線發(fā)出扭矩命令。所述控制器可被配置成:基于包括車(chē)輛速度、加速踏板位置、制動(dòng)踏板位置和各種其他車(chē)輛數(shù)據(jù)的多個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)輸入，對(duì)扭矩請(qǐng)求作出響應(yīng)?？刂破骺赏ㄟ^(guò)基于電機(jī)的速度和總線上的電壓發(fā)出針對(duì)電機(jī)的扭矩命令，而對(duì)超過(guò)閾值的扭矩請(qǐng)求作出響應(yīng)?；陔姍C(jī)的速度和總線上的電壓，當(dāng)所述速度和所述電壓改變時(shí)，控制器可使得電機(jī)的扭矩輸出恒定?；诂F(xiàn)在用于確定扭矩的比值，扭矩輸出可保持恒定。使用電機(jī)的速度與總線上的電壓計(jì)算比值以確定扭矩容量可在所述比值恒定時(shí)產(chǎn)生恒定扭矩。
[0008]一種車(chē)輛包括電機(jī)，電機(jī)配置有至少一個(gè)控制器，所述至少一個(gè)控制器通過(guò)使用電壓總線發(fā)出扭矩命令，同時(shí)使經(jīng)過(guò)電機(jī)繞組的電流的振幅和相位保持不變。車(chē)輛可包括至少一個(gè)控制器，所述至少一個(gè)控制器被配置成:基于包括車(chē)輛速度、加速踏板位置、制動(dòng)踏板位置和各種其他車(chē)輛數(shù)據(jù)的多個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)輸入，對(duì)扭矩請(qǐng)求作出響應(yīng)?？刂破鞅慌渲贸赏ㄟ^(guò)基于電機(jī)的速度和總線上的電壓發(fā)出針對(duì)電機(jī)的扭矩命令，而對(duì)超過(guò)閾值的扭矩請(qǐng)求作出響應(yīng)?；陔姍C(jī)的速度和總線上的電壓，當(dāng)所述速度和所述電壓根據(jù)速度與電壓的恒定比值改變時(shí)，控制器可使得經(jīng)過(guò)繞組的電流的振幅和相位基本上不變。
[0009]一種用于控制電機(jī)的方法對(duì)超過(guò)閾值的扭矩請(qǐng)求作出響應(yīng)?？刂破骺苫陔姍C(jī)的速度和總線上的電壓而發(fā)出針對(duì)電機(jī)的扭矩命令，使得當(dāng)所述速度和所述電壓根據(jù)速度與電壓的恒定比值改變時(shí)，保持經(jīng)過(guò)電機(jī)繞組的電流的振幅和相位基本上不變。該方法可改善電機(jī)容量的利用率，同時(shí)提供更接近于請(qǐng)求的扭矩的傳遞扭矩。
[0010]一種車(chē)輛包括:具有繞組的電機(jī)；總線；控制器，控制器被配置成:響應(yīng)于超過(guò)閾值的扭矩請(qǐng)求，基于電機(jī)的速度和總線上的電壓而發(fā)出針對(duì)電機(jī)的扭矩命令，使得當(dāng)所述速度和所述電壓根據(jù)速度與電壓的恒定比值改變時(shí)，經(jīng)過(guò)繞組的電流的振幅和相位基本上保持不變。
[0011]控制器包括可變電壓控制器。
[0012]閾值大約等于電機(jī)的最大扭矩容量。
[0013]閾值基于電機(jī)的速度和總線上的電壓。
[0014]電機(jī)是永磁同步電動(dòng)機(jī)。
[0015]控制器包括車(chē)輛系統(tǒng)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、可變電壓控制器及電動(dòng)機(jī)控制器。
[0016]一種用于控制電機(jī)的方法包括:響應(yīng)于超過(guò)閾值的扭矩請(qǐng)求，基于電機(jī)的速度和與電機(jī)電連接的總線上的電壓而發(fā)出針對(duì)電機(jī)的扭矩命令，使得當(dāng)所述速度和所述電壓根據(jù)速度與電壓的恒定比值改變時(shí)，經(jīng)過(guò)電機(jī)繞組的電流的振幅和相位基本上保持不變。
[0017]閾值大約等于電機(jī)的最大扭矩容量。
[0018]閾值從單個(gè)獨(dú)立變量查找表獲得。
[0019]單個(gè)獨(dú)立變量查找表基于轉(zhuǎn)子速度與總線電壓的比值利用扭矩值進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0020]經(jīng)過(guò)電機(jī)繞組的電流的振幅和相位產(chǎn)生大致恒定的扭矩輸出。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0021]圖1是永磁同步電動(dòng)機(jī)的操作區(qū)域的一般特性的曲線圖；
[0022]圖2是示例性混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力傳動(dòng)系的示意圖；
[0023]圖3是示例性混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力傳動(dòng)系中的控制器簡(jiǎn)圖；
[0024]圖4是用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方法的流程圖；
[0025]圖5是使用多維查找表的圖形表不；
[0026]圖6是用于調(diào)節(jié)扭矩請(qǐng)求的方法的流程圖；
[0027]圖7是示出多維查找表與含單個(gè)獨(dú)立變量的表之間的差異的圖形表示。
【具體實(shí)施方式】
[0028]在此描述本公開(kāi)的實(shí)施例。然而，應(yīng)該理解到，公開(kāi)的實(shí)施例僅僅是示例，其他實(shí)施例可采用各種和可選的形式。附圖不一定按照比例繪制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的細(xì)節(jié)。因此，在此公開(kāi)的具體結(jié)構(gòu)和功能性細(xì)節(jié)不應(yīng)該被解釋為限制，而僅僅作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域的技術(shù)人員以各種方式使用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解的，參照任一幅圖示出和描述的各個(gè)特征可與在一幅或多幅其他附圖中示出的特征相結(jié)合，以產(chǎn)生未明確示出或描述的實(shí)施例。示出的特征的組合為典型應(yīng)用提供代表性實(shí)施例。然而，與本公開(kāi)的教導(dǎo)一致的特征的各種組合和變型可被期望用于特定應(yīng)用或?qū)嵤┓绞健?br> [0029]在圖2中示出了示例性混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力傳動(dòng)系的示意圖。然而，要求保護(hù)的發(fā)明不限于該動(dòng)力傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)220驅(qū)動(dòng)行星齒輪組224的行星架222。通過(guò)行星齒輪組224在太陽(yáng)齒輪226和齒圈228之間分配發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。齒圈的扭矩機(jī)械地傳遞到輸出軸230。太陽(yáng)齒輪的扭矩被發(fā)電機(jī)232吸收。電動(dòng)機(jī)234可驅(qū)動(dòng)地連接到輸出軸230。在這整個(gè)描述中，術(shù)語(yǔ)“發(fā)電機(jī)”和“電動(dòng)機(jī)”僅用作標(biāo)簽，以識(shí)別這些部件。發(fā)電機(jī)232和電動(dòng)機(jī)234均是既能夠?qū)C(jī)械軸功率轉(zhuǎn)換成電功率又能夠?qū)㈦姽β兽D(zhuǎn)換成機(jī)械軸功率的可逆電機(jī)。驅(qū)動(dòng)軸可驅(qū)動(dòng)地連接到差速器238，差速器238在左車(chē)輪和右車(chē)輪240之間分配功率，同時(shí)允許車(chē)輪速度稍有差異。電功率連接由具有長(zhǎng)劃的虛線示出。發(fā)電機(jī)232由逆變器242通過(guò)三相功率電路電驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)234由逆變器244通過(guò)三相功率電路電驅(qū)動(dòng)。逆變器242和244從DC電總線248獲取功率或者將功率供應(yīng)到DC電總線248。電功率儲(chǔ)存在電池246中。DC-DC轉(zhuǎn)換器247將電池246的電壓電平轉(zhuǎn)換成DC電總線248的電壓電平。DC電總線的電壓可以高于或低于電池的電壓?？刂菩盘?hào)連接由具有短劃的虛線示出?？刂破?50向DC-DC轉(zhuǎn)換器247發(fā)出指定DC電總線248的期望電壓的控制信號(hào)?？刂破?50還向發(fā)動(dòng)機(jī)220以及逆變器242和244發(fā)出控制命令，以調(diào)節(jié)分別由發(fā)動(dòng)機(jī)220、發(fā)電機(jī)232和電動(dòng)機(jī)234產(chǎn)生的扭矩。如果由電動(dòng)機(jī)234實(shí)際傳遞的扭矩明顯不同于請(qǐng)求的扭矩，則車(chē)輛的加速度將與駕駛員的期望不匹配。如果由發(fā)電機(jī)232實(shí)際傳遞的扭矩明顯不同于請(qǐng)求的扭矩，則發(fā)動(dòng)機(jī)速度將偏離期望的行為。
[0030]在圖3中示意性地示出了控制器250的更多細(xì)節(jié)。車(chē)輛系統(tǒng)控制器302接收指示車(chē)輛速度、加速踏板位置、制動(dòng)踏板位置和各種其他車(chē)輛數(shù)據(jù)的信號(hào)。基于該數(shù)據(jù)，車(chē)輛系統(tǒng)控制器302確定目標(biāo)DC總線電壓和目標(biāo)輸出軸扭矩，并向發(fā)動(dòng)機(jī)控制器304發(fā)出扭矩請(qǐng)求T,e(Leng，向發(fā)電機(jī)控制器306發(fā)出扭矩請(qǐng)求Trai gen，向電動(dòng)機(jī)控制器308發(fā)出扭矩請(qǐng)求Treq_motο發(fā)電機(jī)控制器306的輸出是針對(duì)于逆變器242內(nèi)的開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)控制器308的輸出是針對(duì)于逆變器244內(nèi)的開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這些控制器可使用分解器來(lái)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的角度信息。控制器接收指示對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的角位置(標(biāo)記為?K)、DC總線248的電壓(標(biāo)記為Vd。)以及每個(gè)繞組中的電流(標(biāo)記為Ia、IjP I。)的輸入信號(hào)。可變電壓控制器310向DC-DC轉(zhuǎn)換器247發(fā)出命令，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)總線電壓。控制器302、304、306、308和310可實(shí)施為單個(gè)微控制器或通信的多個(gè)控制器。
[0031]發(fā)電機(jī)232和電動(dòng)機(jī)234中的一個(gè)或兩者可以是永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)。對(duì)于PMSM來(lái)說(shuō)，繞組電壓Va、Vb和V。均以與轉(zhuǎn)子速度成比例的頻率振蕩，且繞組電壓Va、Vb和V。在相位上彼此分開(kāi)120度。類(lèi)似地，所產(chǎn)生的繞組電流Ia、Ib和I。均以與轉(zhuǎn)子速度成比例的頻率振蕩，且繞組電流Ia、Ib和I。在相位上彼此分開(kāi)120度。這些繞組電流在電動(dòng)機(jī)中感應(yīng)出旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可能與轉(zhuǎn)子不同相。產(chǎn)生的軸扭矩取決于磁場(chǎng)的強(qiáng)度和相對(duì)于轉(zhuǎn)子的相位角兩者。為了方便，繞組電壓和繞組電流可由與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)參考系中的矢量表示。轉(zhuǎn)子位置和旋轉(zhuǎn)參考系之間的映射取決于電動(dòng)機(jī)中的極的數(shù)量。電壓矢量的兩個(gè)分量被標(biāo)記為Vd和Vq,而電流矢量的兩個(gè)分量被標(biāo)記為Id和I,。Vd、Vq、Id和Iq不會(huì)基于轉(zhuǎn)子位置而振蕩。為了方便，將針對(duì)于電動(dòng)機(jī)234討論控制方法，但是所述控制方法也適用于發(fā)電機(jī)232。
[0032]圖4示出了針對(duì)于每次更新使用PWM方法和六步控制法進(jìn)行的計(jì)算。在402處，控制器通過(guò)將轉(zhuǎn)子速度除以總線電壓來(lái)計(jì)算歸一化速度ωΝ_。在404處，控制器在必要時(shí)調(diào)節(jié)來(lái)自車(chē)輛系統(tǒng)控制器的扭矩請(qǐng)求，以確保對(duì)于當(dāng)前的轉(zhuǎn)子速度和總線電壓來(lái)說(shuō)請(qǐng)求的扭矩在電動(dòng)機(jī)操作區(qū)域內(nèi)。在406處，控制器基于調(diào)節(jié)后的扭矩請(qǐng)求和歸一化速度在PWM和六步控制法之間進(jìn)行選擇。如果選擇六步模式，則在408處控制器基于六步法計(jì)算逆變器命令。如果選擇PWM模式，則在410處控制器基于PWM方法計(jì)算逆變器命令。
[0033]控制器通常使用查找表來(lái)表示不規(guī)則函數(shù)。由于最大扭矩容量閾值是轉(zhuǎn)子速度ω和總線電壓Vd。兩者的函數(shù)，所以通?？墒褂枚嗑S查找表(例如表I)。如果獨(dú)立變量(在這種情況下為轉(zhuǎn)子速度ω和總線電壓Vd。)中的任意一個(gè)獨(dú)立變量落在表所列出的值之間，則控制器可選擇所述值中的一個(gè)值或者可在所述值之間插值。對(duì)于非線性函數(shù)(例如，最大扭矩容量)來(lái)說(shuō)，這些近似方法中的任意一種方法相對(duì)于底層函數(shù)引入一些誤差。對(duì)于最大扭矩容量來(lái)說(shuō)，保守的方法是選擇表所列出的值中小于Vd。的最大值Vn。通常，在車(chē)輛校準(zhǔn)期間基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填充查找表。填充該表需要在各種電壓電平處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用大量不同的電壓電平減小了近似誤差，但是增加了填充該表所需要的工作、由該表消耗的控制器存儲(chǔ)器以及查找值所需要的時(shí)間。
[0034]表I
【權(quán)利要求】
1.一種車(chē)輛,包括: 電機(jī)； 總線； 至少一個(gè)控制器，被配置成:響應(yīng)于超過(guò)閾值的扭矩請(qǐng)求，基于電機(jī)的速度和總線上的電壓而發(fā)出針對(duì)電機(jī)的扭矩命令，使得當(dāng)所述速度和所述電壓根據(jù)速度與電壓的恒定比值改變時(shí)，由電機(jī)輸出的扭矩大致保持恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車(chē)輛，其中，所述至少一個(gè)控制器包括被編程為調(diào)節(jié)總線上的電壓的可變電壓控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車(chē)輛，其中，所述閾值大約等于電機(jī)的最大扭矩容量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的車(chē)輛，其中，所述閾值基于電機(jī)的速度和總線上的電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車(chē)輛，其中，電機(jī)是同步電動(dòng)機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車(chē)輛，其中，所述控制器包括車(chē)輛系統(tǒng)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、可變電壓控制器及電動(dòng)機(jī)控制器。
【文檔編號(hào)】H02P23/00GK103684189SQ201310398012
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月7日
【發(fā)明者】丹尼爾·利德基 申請(qǐng)人:福特全球技術(shù)公司