一種電動車輛驅動/牽引集成控制結構與運動控制方法

2023-12-11 20:27:57

專利名稱：一種電動車輛驅動/牽引集成控制結構與運動控制方法
技術領域：
本發明涉及電動車輛(包括電動汽車和軌道電力牽引車輛)的相關技術領域，特 別是車用永磁同步電機驅動的新驅動力和牽引力的集成控制結構和方法。
背景技術：
汽車的牽引力控制系統(TCS)是動力學控制的重要內容，特別是在低粘著係數路 面(如冰面)或加速階段，通過對車輛滑移率的控制，可以保證汽車行駛穩定性和安全性。有TCS/ABS系統的傳統內燃機驅動的車輛，其運動控制通常是在轉矩控制的基礎 上，由TCS/ABS系統檢測車輪是否發生滑移，如果發生滑移或有滑移的趨勢則限制發動機 輸出轉矩，進而實現車輪不打滑的目標。電動汽車的滑移率控制，目前均沿用傳統汽車的牽引控制方法，牽引控制系統根 據車輛運動過程中檢測或計算的滑移率，根據設定的滑移率對電機轉矩進行閉環控制，因 此目前電動汽車的牽引控制系統通過滑移率和轉矩兩個閉環來控制，滑移率控制的響應時 間取決與車輛的慣性。電機驅動的電動車輛，具有輸出轉矩可控、響應時間短(小於10ms)、成本低等特 性。有關文獻對直流電機和交流電機驅動的電動車輛的運動控制進行了研究，一般通過滑 移率調節器得出的轉矩限制值與轉矩給定值進行取小操作，並作為最終的轉矩給定，轉矩 取小值通過外環實現，能滿足一般運動控制的要求，對於複雜路況和安全要求較高的場合， 這種控制結構動態響應較慢，難以滿足要求。永磁同步電機(PMSM)具有體積小、效率高、可靠性好以及對環境的適應性強等諸 多優點，其直接轉矩控制更是具有響應快速、結構簡單的優點，因此PMSM是無汙染、能源多 樣化配置的電動汽車驅動系統和輔助動力的理想選擇。然而更高的車輛運動穩定性和安全 性要求需要更高性能的永磁同步電機控制結構。車輛滑移率的計算方法目前主要有兩類，一類是滑移率的定義式(a)，通過車輪線 速度和車速來求取，或者用從動輪速度代替車速、用主動輪速度代替車輪線速度來求取當 前滑移率。
ν -ν , K-KΑ =^-^ΤΓ^
K(a)另一類是通過電機電流、電壓等參數來實時求取當前滑移率。相關日本文獻已經
研究得出電機滑移率狀態方程如(b)所示。
·i = (b)
ωr M ω r Μω上式右邊各項雖然含有非線性，但除了 λ外其餘各項均可通過傳感器信號直接 或間接獲取。相關文獻還對上式的收斂性進行了分析。當^ω>α，滑移率的估計誤差收斂於 零。因此滑移率計算模塊可以通過上述兩類方法對當前滑移率進行計算。車輛滑移率的設定，可以分為兩種情形，一是在車輛由普通路面突然進入惡劣的
3路面(如冰面)，車輛的滑移率會突然增大，車輛因打滑運行而處於危險狀態，此時要求電 動汽車通過牽引控制降低電機轉矩，迅速調整滑移率以保證車輛的安全。二是在汽車確定 路面行駛過程中，根據路面參數(通常為摩擦係數與滑移率之間關係)對滑移率進行優化， 實現節能運行。傳統牽引力控制系統為了安全的考慮，目標滑移率的選取是考慮在極端惡 劣的路面條件下的安全範圍值，該值通常取為0. 1-0. 3。在設定的滑移率目標的基礎上，如果將滑移率的控制與電機轉矩的控制都按同一 個操作(如交流電機電壓矢量)進行控制，那麼，車輛滑移率控制的動態響應將大大加快。傳統內燃機驅動的車輛控制結構如圖1所示。滑移率計算模塊1通常由防抱死系 統(ABS)完成，進而通過限制驅動轉矩來實現車輪不打滑的目標。現有文獻介紹的電機牽弓丨力控制系統通常採用的結構框圖如圖2所示(以直流電 機為例)，駕駛員踏板命令被轉化為電機的轉矩指令Tcoml ；另一方面，根據滑移率檢測計 算模塊1得到的車輛與地面之間的實際滑移率，與目標滑移率(通常在0. 1-0. 3之間的某 一常數，典型地，該值以最保守的路面情況(比如冰面)作為參考量)進行比較，通過滑移 率調節器2得到控制滑移率的電機的另一個的轉矩指令Tcom2，取小值比較器3將Tcoml和 Tcom2比較取最小的值作為電機轉矩(或電流)閉環控制的指令值Tcom(或Icom)，與反饋 轉矩(或電流)進行比較後通過轉矩調節器4得到控制電壓指令Ucom，再通過PWM發生器 5產生對應PWM信號控制直接斬波器6a調壓，進而驅動並控制直流電機7，最終控制驅動輪 8。這種方法以最保守的滑移率作為所有路面的滑移率的控制目標，汽車動力性能將會受到 影響。所以，有時可將考慮輪胎損耗最小的最優化滑移率作為目標滑移率；有時把地面允許 的最大滑移率作為目標滑移率。對於永磁交流電機驅動的電動汽車，現有文獻介紹的牽引力控制系統通常採用的 結構框圖如圖3所示。該系統採用磁鏈轉矩觀測模塊9將電機的磁鏈反饋值和轉矩反饋 值計算並輸出，將駕駛員踏板指令對應的電機轉矩指令Tcoml與滑移率閉環控制的輸出量 (轉矩指令Tcom2)通過取小值比較器3比較取小得到電機轉矩閉環控制的指令值，按照交 流永磁同步電機11的轉矩閉環控制方法(如矢量控制、直接轉矩控制)控制電機的轉矩。

發明內容
本發明提供一種電動車輛驅動控制方法，其將永磁同步電機驅動的車輛的滑移率 控制和永磁同步電機轉矩控制結合在一起，並通過永磁同步電機的定子磁場(電壓矢量) 進行直接控制。為達到以上目的，本發明所採用的解決方案是在新的運動控制方法中，電機的定子磁鏈、轉矩和車輛滑移率三個量的調節實行 並行控制，並且採用新的控制方法對電機定子電壓矢量進行選擇。通過直接電壓矢量控制 實現對整車的滑移率和驅動轉矩的直接控制。由車輛的滑移率定義與電機原理可知，在地面參數發生變化的很短時間內，滑移 率變化比車輛速度快得多，與電機的機電時間常數對應，並且與永磁同步電機的電壓矢量 方向有關。一種電動車輛驅動/牽引集成控制結構，其包括轉矩給定模塊，將駕駛員踏板轉化處理為電機的等效轉矩給定值；
電機定子磁鏈給定模塊，輸出由電機本身特性所決定的磁鏈給定值；滑移率給定模塊，輸出的目標滑移率給定值；磁鏈轉矩計算模塊，計算獲得電機輸出轉矩、定子磁鏈反饋值；滑移率計算模塊，獲取當前汽車滑移率的反饋值；轉矩滯環比較器，比較轉矩給定值和反饋值；磁鏈滯環比較器，比較磁鏈給定值和反饋值；滑移率滯環比較器，比較滑移率給定值和反饋值；電壓空間矢量選擇模塊，根據轉矩滯環比較器、磁鏈滯環比較器和滑移率滯環比 較器輸出值得出定子電壓空間矢量；逆變器，根據電壓空間矢量實時控制電機的旋轉磁場，同時調節電機定子磁鏈幅 值、轉矩和滑移率。所述磁鏈滯環比較器通過輸入的磁鏈給定值Ψ*與反饋值Vf求差，該差值與誤 差值ε Ψ比較得到狀態變量Ψ」所述轉矩滯環比較器通過輸入的轉矩給定值Τ*與反饋值Tf求差，該差值與誤差 值ε τ比較得到狀態變量FT。所述滑移率滯環比較器通過輸入的對應給定值λ*與反饋值Xf求差，該差值與誤 差值ε Λ比較得到狀態變量入f。一種電動車輛驅動/牽引集成運動控制方法，採用轉矩、磁鏈、滑移率三個控制量 並行控制，計算轉矩、磁鏈、滑移率給定值與反饋值差值，該差值與設定的誤差值比較得到 相應的狀態變量，根據該狀態變量選擇電機定子電壓矢量，通過電壓矢量控制實現對電動 汽車的滑移率和驅動轉矩的並行控制。所述轉矩給定值T*由駕駛員踏板轉化處理為電機的等效轉矩給定值；所述磁鏈給定值Ψ*由電機本身特性決定並給出；所述滑移率給定值λ *通過測量參數計算或者通過優化設計的指定值給出。所述轉矩反饋值Tf、磁鏈反饋值Vf通過磁鏈轉矩計算模塊根據電機電流、電壓、 轉速值的檢測與計算得到；所述滑移率反饋值λ f通過滑移率計算模塊得到當前汽車滑移率的反饋值。所述設定的誤差值為在給定值的百分之一以內。由於採用了上述方案，本發明具有以下特點與傳統牽引力控制中以轉矩作為控 制量調節滑移率最終達到改善汽車的打滑現象的方法相比，本專利中滑移率的調節與電機 轉矩的調節具有同樣的響應時間，具有更快速的響應，因此能明顯提高電動汽車的運動穩 定性，有效抑制車輛在加速、低附著係數路面的車輪打滑的現象。本發明中，永磁同步電機的電壓矢量控制(包括施加時間、矢量方向)不但決定電 機定子磁鏈的幅值(它是電機控制的基本要求)，而且直接可以控制電機轉矩和車輛滑移率。本發明的結構和運動控制方法不但適用於永磁同步電機驅動的車輛，也適用於異 步電機驅動的電動車輛；不但適用於電動汽車，也適用於軌道電力牽引車輛的控制。


圖1為傳統內燃機牽引控制結構框圖。
圖2為直流電機牽引控制結構框圖。圖3為交流電機滑移率控制一般結構框圖。圖4為地面參數曲線。圖5為PMSM電機新型運動控制結構。圖6為電壓空間矢量選擇模塊。圖7為電機控制系統的逆變器圖。圖8為逆變器產生的空間矢量圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。傳統滑移率控制和新型運動控制結構方法的滑移率跟蹤特性如圖4所示。車輛的 牽引力是由路面的黏著力提供，用黏著係數表示μ = Fd/NN為車輛的載荷，Fd為車輛牽引力，而黏著係數μ是由車輪的滑移率λ決定，其 曲線如圖4所示，對應的不同路況下，黏著係數μ和滑移率λ的關係。從圖中可以看出， 隨著滑移率從0增加，黏著係數逐漸上升，與此同時，側滑力逐漸下降，隨著黏著係數達到 最大值，如果滑移率進一步增加，側滑力與黏著力快速下降，此時汽車處於不受控制狀態， 使得安全性大大降低。因此，需要把滑移率控制在能使車輪不打滑且車輪能正常穩定工作 的範圍內，一般路面的範圍是0. 1 0. 3 (圖示陰影部分)，使得汽車具有良好的可靠性和安 全特性的同時並具有良好的加速性能。因此，通過減小電機的牽引轉矩Ft，使得車輪轉速降低，減小輪胎與路面的滑移 率，使車輛運行在穩定區域(圖4中陰影區域)。對於永磁同步電機驅動的電動汽車，本發明提出的新型電機如圖5所示。永磁同 步電機直接轉矩控制方法具有響應快速的轉矩控制特點，該方法把轉矩的控制與定子磁鏈 的控制綜合為定子旋轉磁場(磁鏈矢量)的速度和方向的控制，並通過施加電壓矢量來具 體實現。直接轉矩控制方法一般只有轉矩和磁鏈兩個控制參數。本發明新型運動控制方法 採用轉矩、磁鏈、滑移率三個控制量並行控制，分別設定電機定子磁鏈、轉矩和滑移率作為 控制系統參考值。轉矩給定模塊12將駕駛員踏板轉化處理為電機的等效轉矩給定指令Τ* ； 電機定子磁鏈給定模塊15輸出的磁鏈給定值Ψ*由電機本身特性所決定，查電機相關參數 即可；滑移率給定模塊14輸出的目標滑移率給定值為λ*可以是通過測量參數計算式(a)、 (b)或其它計算式來給定，也可以是通過優化設計的指定值。對於一般路面的典型應用，本 實施例選取0. 15作為滑移率控制給定值。通過電機電流、電壓、轉速值的檢測與計算，磁鏈轉矩計算模塊9可獲得電機輸出 轉矩、定子磁鏈反饋值，通過滑移率計算模塊1可以得到當前汽車滑移率的反饋值，分別用 Tfλ "iyf、入 f 表不。本發明還設置了三個並行的滯環比較器，分別是轉矩滯環比較器16a、磁鏈滯環比 較器16b、滑移率滯環比較器16c。將上述給定值與反饋量分別輸入相應滯環比較器進行 比較，比較誤差值的設定通常為給定值的百分之一以內，以保證快速和準確性，但也不是越小越好。取值原則是既要保證車輛快速準確控制性能，也要不使功率器件因開關頻率過高 (一般小於IOKHz)而發熱過多，導致效率不高甚至燒毀功率器件。因此誤差值的最終標定 需要根據實際測試情況來綜合取捨。本具體實施例中，比較誤差值ετ、ε ψ、ε λ具體可分 別設置為1 (N. m)、0. 001 (Wb)、0. 002，但不限於此數值。給定值與反饋量輸入滯環比較器得 到兩者的差值，根據表2、表3、表4所定義的轉矩、磁鏈、滑移率控制規則，該差值與設定的 誤差值比較可以得到狀態變量FT、Fv、Fa。 再根據表5的PMSM直接轉矩/滑移率綜合取值規則和表6的PMSM直接轉矩/滑 移率控制空間電壓矢量選擇方法，可以選定電壓空間矢量實時控制電機的旋轉磁場(磁鏈 矢量)，同時調節電機定子磁鏈幅值、轉矩和滑移率。圖6為電壓空間矢量選擇模塊10。該模塊10的輸入量為磁鏈比較值、轉矩比較值 和滑移率比較值，輸出量為最終選擇的定子電壓空間矢量。模塊10內定子電壓空間矢量的 選擇採用如表6所示的綜合控制規則。圖7為電機控制系統的逆變器6的結構示意圖，電機驅動的逆變器的三相6個功 率管的開關組合成8個電壓矢量，分析永磁同步電機直接轉矩控制方法可知，通過控制這 電壓矢量(選擇矢量和矢量施加時間)，可以控制電機磁場幅值和瞬時轉矩。圖8為逆變器產生的空間矢量圖。電機每相與一個兩個開關管組成的橋臂對應， 一個橋臂的兩個開關管互補工作，及每相的橋臂開關狀態有兩個，以1和0表示，三相的橋 臂按A、B、C次序排列，共形成8種狀態，S卩，000、100、110、010、011、001、101、111，分別定義 為V0、V1、V3、V4、V5、V6、V7。8個矢量可用相平面表示為如圖8的電壓矢量圖。為描述定子磁鏈在相平面的角度，設磁鏈旋轉方向為逆時針，將整個平面(360 度)分成6個等分區間如表1所示。對於定子磁鏈的旋轉方向和幅值，通過施加電壓矢量 (和施加矢量的時間)來控制。對於當前處於第k區間(區間內對應一個唯一的電壓矢量 Vk)的磁鏈，可以選擇該區間逆時針方向相鄰的兩個電壓矢量Vk+1、Vk+2來控制磁鏈幅值 的增量和旋轉速度。磁鏈控制規則如表2所示。將磁鏈幅值的實際值與給定值比較，ε ψ為磁鏈誤差 比較值，根據兩者的偏差情況，確定偏差標誌Fv，以及電壓矢量選擇的原則。轉矩控制規則如表3所示。將轉矩的實際值與給定值比較，ε工為轉矩誤差比較 值，根據兩者的偏差情況，確定偏差標誌FT，以及電壓矢量選擇的原則。滑移率控制規則如表4所示。將滑移率的實際值與給定值比較，ε λ為滑移率誤 差比較值，根據兩者的偏差情況，確定偏差標誌Fa，以及電壓矢量選擇的原則。轉矩/滑移率綜合規則，如表5所示。將轉矩和滑移率的偏差標誌FT、Fa進行綜 合，確定綜合偏差標誌Fta，以及電壓矢量選擇的原則。綜合表2、表3、表4、表5，先由表3和表4得到表5，再由表5和表2可以得到直接 轉矩-滑移率控制空間電壓矢量選擇方法如表6所示，實際操作是先輸入T和λ，查表五， 輸出Ft, λ，再根據Ft, λ和Ψ查表6，選定電壓矢量。表IPMSM定子磁鏈角度對應區間
權利要求
一種電動車輛驅動/牽引集成控制結構，其特徵在於其包括轉矩給定模塊，將駕駛員踏板轉化處理為電機的等效轉矩給定值；電機定子磁鏈給定模塊，輸出由電機本身特性所決定的磁鏈給定值；滑移率給定模塊，輸出的目標滑移率給定值；磁鏈轉矩計算模塊，計算獲得電機輸出轉矩、定子磁鏈反饋值；滑移率計算模塊，獲取當前汽車滑移率的反饋值；轉矩滯環比較器，比較轉矩給定值和反饋值；磁鏈滯環比較器，比較磁鏈給定值和反饋值；滑移率滯環比較器，比較滑移率給定值和反饋值；電壓空間矢量選擇模塊，根據轉矩滯環比較器、磁鏈滯環比較器和滑移率滯環比較器輸出值得出定子電壓空間矢量；逆變器，根據電壓空間矢量實時控制電機的旋轉磁場，同時調節電機定子磁鏈幅值、轉矩和滑移率。
2.如權利要求1所述的控制結構，其特徵在於所述磁鏈滯環比較器通過輸入的磁鏈 給定值Ψ*與反饋值Vf求差，該差值與誤差值ε Ψ比較得到狀態變量Vf。
3.如權利要求1所述的控制結構，其特徵在於所述轉矩滯環比較器通過輸入的轉矩 給定值τ*與反饋值Tf求差，該差值與誤差值ε τ比較得到狀態變量FT。
4.如權利要求1所述的控制結構，其特徵在於所述滑移率滯環比較器通過輸入的對 應給定值λ*與反饋值λ ,求差，該差值與誤差值ε λ比較得到狀態變量入卩
5.一種電動車輛驅動/牽引集成運動控制方法，其特徵在於採用轉矩、磁鏈、滑移率 三個控制量並行控制，計算轉矩、磁鏈、滑移率給定值與反饋值差值，該差值與設定的誤差 值比較得到相應的狀態變量，根據該狀態變量選擇電機定子電壓矢量，通過電壓矢量控制 實現對電動汽車的滑移率和驅動轉矩的並行控制。
6.如權利要求5所述的控制方法，其特徵在於所述轉矩給定值Τ*由駕駛員踏板轉化 處理為電機的等效轉矩給定值；所述磁鏈給定值Ψ*由電機本身特性決定並給出；所述滑 移率給定值λ *通過測量參數計算或者通過優化設計的指定值給出。
7.如權利要求5所述的控制方法，其特徵在於所述轉矩反饋值Tf、磁鏈反饋值！^通 過磁鏈轉矩計算模塊根據電機電流、電壓、轉速值的檢測與計算得到；所述滑移率反饋值 λ f通過滑移率計算模塊得到當前汽車滑移率的反饋值。
8.如權利要求5所述的控制方法，其特徵在於所述設定的誤差值為在給定值的百分 之一以內。
全文摘要
一種電動車輛驅動/牽引集成控制結構與運動控制方法，其設定了電機轉矩給定模塊、磁鏈給定模塊、滑移率給定模塊分別對三個控制量轉矩、定子磁鏈和滑移率進行給定，給定的參考值與實際電機轉矩、定子磁鏈和滑移率反饋值分別進入滯環比較器進行比較，比較結果進入電壓矢量選擇模塊，再輸出相應電壓矢量到逆變器，進而控制電機，實現對車輛的驅動控制。與本發明中滑移率的調節具有更快速的響應，因此能明顯提高電動汽車的運動穩定性，有效抑制車輛在加速、低附著係數路面的車輪打滑的現象。
文檔編號H02P21/14GK101964625SQ20101028690
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者劉海威, 宋瀾, 徐國卿, 王晶晶 申請人:同濟大學