全數字交流電機控制中時間延遲補償方法及其控制裝置的製作方法

2023-07-16 03:41:51

專利名稱：全數字交流電機控制中時間延遲補償方法及其控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及在混合動力汽車中交流電機的控制方法和裝置，尤其是涉及一 種進行時間延遲補償的全數字交流電機控制裝置和時間延遲補償方法。
背景技術：
在混合動力汽車交流電機控制中，所有的數字處理包括電流調節環和
P麗塊都在數字域中執行，基於DSP晶片的電機控制器將獲得的數字信息進行
處理後通過D/A轉換後控制電機工作。申請號CN03820553.X的專利"同步電
動機控制裝置"和申請號為CN200480042526. 0的專利"永磁式同步電動機
控制裝置"都公開了一種如圖1類似的電機控制裝置，該裝置由DSP模擬完
成，在該裝置中電流調節器1通過接收電機角速度w、通過固定/同步坐標變 換器8變換後的電機輸入電流的反饋信號L和^與通過由所需扭矩對應的電
流/:、 /:，調節為v:和v:，輸出到將同步/固定坐標變換器2轉換為v:和v)、
vl和V;輸入到三相電壓發生器3轉換為3相電壓值v。、 Va、 v。並應用DSP PWM(pulse width modulation,脈碼調製)模塊實現SVPWM(space vector P麗， 空間矢量P麵)調製輸出P麗信號，即Inverter4橋臂開關狀態S。、 & 、 & 。 Inverter4的硬體會根據5> ^6 、 &狀態控制Inverter (逆變器)橋臂導通 關斷，施加三相電壓v。、 V6、 ^到電機繞組上驅動電機。這裡電機角速度w是 通過轉子位置檢測器6檢測到轉子的位置e，通過速度計算器7計算出來的。
通過利用所需的扭矩利用數字計算來控制電機的輸出功率，能節省能量。 但是，當大功率驅動或者超高速驅動中採樣頻率與輸出頻率之比不足時，
由於算法執行和脈寬調製導致在全數字電流調節器調節時的電壓輸出不可避
免存在時間延遲，這個延遲在旋轉坐標作用下會導致相和幅值誤差。由於這 些誤差的存在，會降低電機的動態性能和在高速時電流調節器的不穩定。目 前，現有的交流電機控制中更多的考慮對於PWM死區時間補償技術，對於數 字時間延遲補償沒有涉及，在一些對電機控制性能要求很高或者有高速運行 要求的控制中會存在動態性能差以及電流調節器不穩定的問題，嚴重時會導 致電機失去控制，因此需要對數字時間延遲進行有效補償。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於，提供一種對全數字交流電機控制中的時延 補償方法，並在現有的電機控制裝置中增加數字時間延遲補償模塊，以彌補現 有汽車電機控制裝置的不足之處。
本發明為解決上述技術問題而採用如下的技術方案全數字交流電機控 制中時間延遲補償方法，其特徵在於本延遲補償方法忽略電機電流幅值誤差 的影響，只對電機電流的相位誤差按下式進行補償
式中《為補償後的輸出，《為電機轉子某一時刻的位置角，A6為補償
相位角，？;為電流調節器的採樣周期，化=/^, ^為電機極數，w為電機角
速度，延遲期間被視為常數。
本發明的另一目的是提供一種帶有時間延遲補償的全數字交流電機控制 裝置，該裝置由於在現有的全數字交流電機控制裝置中增加了時間延遲補償模 塊，能克服在一些對電機控制性能要求很高或者有高速運行要求的控制中會存 在動態性能差以及電流調節器不穩定的問題。採用的技術方案是全數字交流
電機控制裝置，包括在MCU(motor control unit，電機控制單元)DSP(digital signal processing)內運行的電流調節器、同步/固定坐標變換器、三相電壓 發生器、電機狀態參數反饋模塊等功能模塊和與其配合的Inverter裝置； 電流調節器輸入端分別通過MCUDSP接整車的CAN總線、電機狀態參數
反饋模塊的反饋信號輸出端，輸出端接同步/固定坐標變換器的輸入端，分別
接收HCU (hybrid control unit，混合動力汽車控制單元)分配給電機的扭矩指 令或者速度指令，根據運行模式進行扭矩控制或者速度控制，得到最終輸出扭 矩進行MTPA(maximum torque per ampere,單位電流最大扭矩)查表得到的所
需電流的數值/:、 由電機狀態參數反饋模塊反饋來的轉子角速度量o;和通
過對電機輸入電流的反饋信號變換坐標後的數量值/rf和z;，在其中進行電流調
節後輸出同步坐標系中的電壓數值vC和V:到同步/固定坐標變換器的輸入端；
同步/固定坐標變換器的輸入端接電流調節器的輸出端，輸出端接三相電 壓發生器的輸入端，將電流調節器輸出的同步坐標系中的電壓數值v:和v:變
換為固定坐標系的電壓數值《和K輸出到三相電壓發生器的輸入端；
三相電壓發生器的輸入端接同步/固定坐標變換器的輸出端，輸出端接 Inverter的輸入端，利用固定坐標系的電壓數值K和K產生電機所需的三相
電壓V。、 V6、 Vt，並應用DSP P麗模塊實現SVP簡調製輸出P麗信號，即 Inverter橋臂開關狀態^。、 ^A 、 ^J俞出至Inverter;
Inverter的輸入端接三相電壓發生器的輸出端，輸出端接電機， Inverter的硬體會根據三相電壓發生器的輸出的《。、、 ^狀態控制 Inverter橋臂導通關斷，施加三相電壓化、Va 、 Vf到電機繞組上驅動電機；
電機狀態參數反饋模塊輸入端為檢測電機參數的各檢測器，獲取電機工 作的電流/。、 /。的數值，並通過坐標變換成同步坐標系中的L和/"並獲取轉
子的位置信號^和轉子角速度量w;
在MCUDSP內運行的功能模塊還包括一個時間延遲補償模塊，該模塊的輸 入端接電機狀態參數反饋模塊的反饋輸出端，接收轉子的位置信號^和轉子角 速度量w，輸出端接同步/固定坐標變換器的輸入端，在該模塊內對轉子的位 置信號^利用轉子角速度量w與電流調節器的採樣周期結合進行補償，輸出給 同步/固定坐標變換器，在同步/固定坐標變換器內將帶有補償時延的新相位加
到固定坐標系的電壓矢量數值K和K中。
本方案中對電機狀態參數反饋模塊進一步進行限制，該電機狀態參數反饋 模塊包括安裝在電機上的電流傳感器、電子轉子位置檢測器、兩相電流發生器、
固定/同步坐標變換器、速度計算器；
電流傳感器檢測電機的A相C相電流，輸出數位訊號接兩相電流發生器; 兩相電流發生器的輸入端接電機輸入線上的電流傳感器，輸出端接固定 /同步坐標變換器的輸入端，獲取電機三相電流/。、 /6、 ^，其中/。、 ^通過 微處理器晶片對A、 C電流傳感器信號進行採樣進行A/D變換後的值，^通過
/。 +1 + /。 = 0得到皿3!變換輸出固定^標系中^Mffi制荒/。 ， ^ {言號；
固定/同步坐標變換器輸入端接兩相電流發生器的輸出端，輸出端接電流 調節器的反饋電流輸入端，將固定坐標系中的反饋二相電流/a和々信號變換成 同步坐標系中的反饋二箱電流數量值L和;
轉子位置檢測器安裝在轉子上，檢測轉子的位置信號e，其輸出端接速 度計算器的輸出端；
.速度計算器的輸入端接轉子位置檢測器輸出端，輸出端接電流調節器轉 子速度值輸入端，將由轉子位置檢測器檢測到的轉子位置信號e進行處理獲得 轉子角速度值w。
本發明的有益效果是本發明的方法中利用非常簡單的算法，克服在一 些對電機控制性能要求很高或者有高速運行要求的控制中會存在動態性能差 以及電流調節器不穩定的問題。


下面結合實施例和附圖來進一步說明本發明。
圖1為現有技術中的全數字交流電機控制裝置結構框圖。
圖2為本發明全數字交流電機控制裝置結構框圖。
圖3為本發明的硬體拓撲圖。
圖4為本發明實施實例混合動力永磁同步電機控制主要流程圖。
圖中1.電流調節器，2.同步/固定坐標變換器，3.三相電壓發生器，
4.Irwerter，5.兩相電流發生器，6.轉子位置檢測器，7.速度計算器，8.固定/ 同步坐標變換器，9.時間延遲補償，10.電機狀態參數反饋模塊，ll.HCU， 12.MCU DSP， 13.電流傳感器。
具體實施例方式
如圖2所示，為一種帶有本發明方法的時間延遲補償模塊9的全數字交流 電機控制裝置，在時間延遲補償模塊中實現如下運算的相位補償
式中《為補償後的輸出，《為電機轉子某一時刻的位置角，A^為補償 相位角，7;為電流調節器的採樣周期，化=;^， p為電機極數，w為電機角
速度，延遲期間被視為常數。
該全數字交流電機控制裝置的算法和功能模塊包括電流調節器1，同步/ 固定坐標變換器2，三相電壓發生器3，由兩相電流發生器5、速度計算器7、 固定/同步坐標變換器8和電流傳感器13、轉子位置檢測器6構成電機狀態參 數反饋模塊IO，時間延遲補償9模塊在PWM DSP12中斷中執行，轉子位置檢 測器6檢測轉子的位置信號輸入到總線中，供DSPPWM調用，Irwerter4接由 總線送來&、 &、 ^信號控制電機工作，硬體拓撲圖如圖3所示，裝在電 機控制器上的兩相電流傳感器13輸出信號用於檢測電機兩相電流，裝在電機 轉子上的轉子位置檢測器6用於檢測電機轉子位置，HCU11控制器是混合動 力汽車整車控制單元，MCU DSP12是電機控制單元的數字處理器。電流傳感 器13和轉子位置檢測器6的輸出信號送入MCU DSP12的ADC (analog to digital conversion,模數轉換)模塊AD通道進行AD採樣以及模數轉換。MCU DSP12和HCU11通過CAN通訊，MCUDSP12中CAN模塊接收來自HCU11的信號， 此實例主要信號為電機運行模式、扭矩指令、速度指令等。運行模式為扭矩
模式，MCU DSP12中P麗模塊輸出P麗信號給Inverter門電路，驅動電機旋 轉。
此發明實例算法在MCU DSP12中的頻率為100/^P麵中斷中執行。具體的MCU DSP12的模塊配置及初始化與常規DSP晶片相似。
圖4為本發明實施實例混合動力永磁同步電機控制主要流程圖。具體步 驟如下
(1) 當電機控制器上電運行後，首先進行DSP晶片系統和各模塊配置。
(2) (l)完成後，系統進入等待，當根據DSPCAN模塊寄存器狀態判斷當MCU 接收到HCU發送的消息後，MCU與HCU通訊，MCU接收到HCU的CAN信息 包括電機運行模式、扭矩指令值、速度指令值等，MCU發送給HCU的CAN 信息包括電機控制輸出扭矩、電機速度等。如果MCU未接收到HCU發送的 C緒信息，則一直等待直到接收到為止。
(3) 如果在此等待期間，P麗中斷被觸發，則禁止P麗中斷，進入P麗中斷 執行模塊。
(4) 進入P麗中斷後，首先對輸入MCU DSP11 AD通道的電流傳感器13輸 出信號、作為轉子位置檢測器6的霍爾傳感器的輸出信號進行A/D轉換後 進行數字低通濾波得到兩相電流/。、 /￡以及轉子位置角^的正弦值和餘弦 值，根據/。、DO確定t。
(5) 進入P麗中斷後，首先對輸入MVU DSP12晶片AD通道的電流傳感器13、 轉子位置檢測器6的輸出信號進行A/D轉換後進行數字低通濾波得到三相 電流/。、 /A、 ^以及轉子位置角^的正弦值和餘弦值。
(6) 接收轉子位置檢測器6的實時位置角0，通過執行速度計算器7模塊， 根據轉子位置角0的正弦值和餘弦值確定轉子位置角^ ，對轉子位置角e進
行差分，根據公式W=，;—平—1 j計算得到"，其中0w、 e(W)、"分別 為第h欠位置角採樣值，/b-l次位置角採樣值，採樣時間間隔。
(7) 該電機控制器MCU會通過CAN與HCU11通訊後會確定電機進行速度控 制還是扭矩控制。當為扭矩控制時，HCU直接發送給MCU扭矩指令T'，當 為速度控制時，HCU直接發送給MCU速度指令w'， w'與速度估算值w比較 後，進行速度PI控制，輸出值為扭矩指令J'。根據電機的MTPA控制特性
查表，通過輸入:r'查表後可以得到/" /:。
(8) 執行兩相電流發生器5和固定/同步坐標變換器8後，得到反饋值乙和
(9) 執行電流調節器1， /:與反饋值^比較後PI控制輸出結果與d軸解耦 控制項;^丄^相減輸出旋轉坐標系d軸電壓"；/:與反饋值/《比較後PI 控制輸出結果與d軸解耦控制項戸丄丄+ ^^戸相減輸出旋轉坐標系Q電壓
v:，其中丄,z^、 ^ 分別為定子交軸電感、定子直軸電感、永磁磁鏈。
(10) 執行時間延遲補償9模塊，對轉子位置角^補償後的結果為
(id執行同步/固定坐標變換器2模塊輸出固定坐標系電壓v:和"。
(12) 執行三相電壓發生器3模塊，把固定坐標系的電壓"和v;轉換為3相 電壓值V。、 Va、 ^並應用DSPP麗模塊實現SVP麗調製輸出P麗信號，即 Inverter4橋臂開關狀態S。、 、 & 。
(13) 在Inverter 4中硬體會根據^。、 ^A 、 S,狀態控制Inverter橋臂導 通關斷，施加三相電壓v 、 Vh、 v到電機繞組上驅動電機。
權利要求
1.全數字交流電機控制中時間延遲補償方法，其特徵在於本延遲補償方法忽略電機電流幅值誤差的影響，只對電機電流的相位誤差按下式進行補償<![CDATA[ 2 *= 1+ ]]>Δθ＝1.5ωeTs式中θ′2為補償後的輸出，θ1為電機轉子某一時刻的位置角，Δθ為補償相位角，Ts為電流調節器的採樣周期，ωe＝pω，p為電機極數，ω為電機角速度，延遲期間被視為常數。
2.全數字交流電機控制裝置，包括在MCU DSP(12)內運行的電流調節器 (1)、同步/固定坐標變換器(2)、三相電壓發生器(3)、電機狀態參數反饋模 塊(10)等功能模塊和與其配合的Inverter (4)裝置；電流調節器(l):輸入端分別通過MCU DSP(12)接整車的CAN總線、電機 狀態參數反饋模塊(10)的反饋信號輸出端，輸出端接同步/固定坐標變換器(2) 的輸入端，分別接收HCU(ll)分配給電機的扭矩而得到的所需電流的數值/:、 由電機狀態參數反饋模塊(10)反饋來的轉子角速度量6;和通過對電機輸入 電流的反饋信號變換坐標後的數量值^和；，在其中進行電流調節後輸出同 步坐標系中的電壓數值v:和《到同步/固定坐標變換器(2)的輸入端；同步/固定坐標變換器(2)的輸入端接電流調節器(l)的輸出端，輸出端接 三相電壓發生器(3)的輸入端，將電流調節器(1)輸出的同步坐標系中的電壓 數值v:和《變換為固定坐標系的電壓數值《和K輸出到三相電壓發生器(3) 的輸入端；三相電壓發生器(3)的輸入端接同步/固定坐標變換器(2)的輸出端，輸出 端接Inverter (4)的輸入端，利用固定坐標系的電壓數值^和^產生電機所需 的三相電壓V。、 V6、 v。，並應用DSPP麗模塊實現SVP麗調製輸出P畫信號，即Inverter (4)橋臂開關狀態^。、 & 、 &輸出至Inverter (4);Inverter(4)的輸入端接三相電壓發生器(3)的輸出端，輸出端接電機， Inverter (4)的硬體會根據三相電壓發生器(3)的輸出的S。、 & 、 &狀態控 制Inverter橋臂導通關斷，施加三相電壓^、 Va 、 ^到電機繞組上驅動電機；電機狀態參數反饋模塊(10)輸入端為檢測電機參數的各檢測器，獲取電 機工作的電流t、 L的數值，並通過坐標變換成同步坐標系中的^和"，並獲取轉子的位置信號《和轉子角速度量w;其特徵在於在MCU DSP(12)內運行的功能模塊還包括一個時間延遲補償 (9)模塊，該模塊的輸入端接電機狀態參數反饋模塊(10)的反饋輸出端，接收 轉子的位置信號e和轉子角速度量w，輸出端接同步/固定坐標變換器(2)的輸 入端，在該模塊內對轉子的位置信號^利用轉子角速度量w與電流調節器的採 樣周期結合進行補償，輸出給同步/固定坐標變換器(2)，在同步/固定坐標變 換器(2)內將帶有補償時延的新相位加到固定坐標系的電壓矢量數值^和K 中。
3.根據權利要求2所述的全數字交流電機控制裝置，其特徵在於所述電 機狀態參數反饋模塊(10)包括安裝在電機上的電流傳感器(13)、電子轉子位 置檢測器(6)、兩相電流發生器(5)、固定/同步坐標變換器(8)、速度計算器 (7);'電流傳感器(13)檢測電機的A相C相電流，輸出數位訊號接兩相電流發 生器(5);兩相電流發生器(5)的輸入端接電機輸入線上的電流傳感器(13)，輸出 端接固定/同步坐標變換器(8)的輸入端，獲取電機三相電流/。、 /6、 /。，其中 / 、 /通過微處理器晶片對A、 C電流傳感器信號進行採樣進行A/D變換後的值，/6通過/。 + /ft + /。 = 0得到通過變換輸出固定坐標系中的兩相電流L和信 號;固定/同步坐標變換器(8)輸入端接兩相電流發生器(5)的輸出端，輸出端接電流調節器(l)的反饋電流輸入端，將固定坐標系中的反饋二相電流/。和^信號變換成同步坐標系中的反饋二箱電流數量值/,和z;;轉子位置檢測器(6)安裝在轉子上，檢測轉子的位置信號e，其輸出端接 速度計算器(7)的輸出端；速度計算器(7)的輸入端接轉子位置檢測器(6)輸出端，輸出端接電流調 節器(l)轉子速度值輸入端，將由轉子位置檢測器(6)檢測到的轉子位置信號 ^進行處理獲得轉子角速度值w 。
4.根據權利要求2所述的全數字交流電機控制裝置，其特徵在於所述的由混合動力控制單元分配給電機的扭矩而得到的所需電流的數值/:、/:是按下列方法獲得的:DSP晶片的CAN模塊與HCU通訊得到扭矩指令或者速度指令， 根據運行模式進行扭矩控制或者速度控制，得到最終輸出扭矩進行MTPA查表 得到。
全文摘要
本發明公開了一種全數字交流電機控制中時間延遲補償的方法和利用本方法的一個全數字交流電機控制裝置，採用的技術方案是本延遲補償方法忽略幅值誤差的影響，只對相位誤差進行補償。在現有技術中的全數字交流電機控制裝置中增加一個進行時間延遲補償的功能模塊，執行本方法。本發明的方法中利用非常簡單的算法，克服在一些對電機控制性能要求很高或者有高速運行要求的控制中會存在動態性能差以及電流調節器不穩定的問題。
文檔編號H02P21/14GK101350586SQ20071007521
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月20日 優先權日2007年7月20日
發明者謝美娟 申請人:奇瑞汽車股份有限公司