專利名稱：一種混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對電機(jī)轉(zhuǎn)子速度的控制方法，特別涉及一種永磁同步電機(jī)作為
混合動(dòng)力汽車ISG電機(jī)使用時(shí)，利用鎖相環(huán)回路對電機(jī)速度進(jìn)行控制的方法。
背景技術(shù)：
隨著混合動(dòng)力汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，以油電混合為動(dòng)力的混合動(dòng)力汽車已 逐漸被認(rèn)可，市場前景十分巨大。電機(jī)作為油電混合動(dòng)力的關(guān)鍵設(shè)備，對它進(jìn) 行精確的速度控制不但可以提高電機(jī)效率，還可以最大程度的提高整個(gè)動(dòng)力系
統(tǒng)的系統(tǒng)效率。7Jc磁同步電機(jī)，尤其是內(nèi)嵌7la茲體的永磁同步電機(jī)具有高效的 可調(diào)速運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，因此越來越廣泛地應(yīng)用于包括油電混合動(dòng)力系統(tǒng)在內(nèi)的各
個(gè)領(lǐng)域。
目前，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量有許多方法，如圖l所示，為本申請人設(shè)計(jì)的 一種安裝在混合動(dòng)力汽車電;f幾內(nèi)的位置傳感器裝置。該位置傳感器包括^:測器 2和目標(biāo)盤1，安裝在電^L的一端，目標(biāo)盤i為一環(huán)狀盤，其外側(cè)花紋形狀為 正弦曲線或余弦曲線，由鋁或鐵等金屬材料制成，安裝固定在轉(zhuǎn)子的支架7
上，與轉(zhuǎn)子4 一起繞轉(zhuǎn)子支架軸6旋轉(zhuǎn)，探測器2通過傳感器安裝支架5 (圖 中未畫出延伸部份)安裝在定子3端蓋上。
探測器2包括硬件電路和探頭線圈，硬件電路提供高頻振蕩電流流入探頭 線圈，在探頭線圏中產(chǎn)生交變的》茲場。探測器由直流5V電壓供電，輸出轉(zhuǎn)子 磁極位置角正弦和余弦的位置模擬信號(hào)，該兩路模擬信號(hào)輸出連接至電機(jī)控制 單元(MCU)中的DSP芯片的兩個(gè)AD通道，由DSP對電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行 解碼和誤差補(bǔ)償，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。
在電機(jī)控制芯片測量到準(zhǔn)確的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后，結(jié)合混合動(dòng)力汽車控制單
5元(HCU)設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速，對電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的控制，使電機(jī)按照規(guī)定的速 度轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，當(dāng)傳感器測得轉(zhuǎn)子的正弦和余弦位置模擬信號(hào)后，為獲得精確 的轉(zhuǎn)子位置和速度，目前傳統(tǒng)的計(jì)算控制方法是基于將正弦除以余弦得到正
切，再求反正切得到角度位置e，對e進(jìn)行差分運(yùn)算計(jì)算出速度co的值，接著
再對co進(jìn)行速度控制，輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。采用這種方法具有以下不足的地方
1、 隨著釆樣時(shí)間的增加，測量誤差通過差分運(yùn)算后會(huì)逐漸被放大；
2、 在低速時(shí)，由于測量不精確等原因，這種方法很難得到實(shí)際應(yīng)用；
3、 在高速時(shí)，若采用增加低通濾波器來獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速控制，則會(huì)產(chǎn)生相 位的延時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種混合動(dòng)力汽車中電 機(jī)速度控制的數(shù)字控制方法。該方法采用鎖相環(huán)控制方式。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速 度控制方法，在電機(jī)控制單元中，接收電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的當(dāng)前位置信 號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和誤差補(bǔ)償，通過鎖相環(huán)技術(shù)，輸出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置， 并結(jié)合提供的參考速度，利用鎖相環(huán)反饋技術(shù)，控制電機(jī)按規(guī)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)， 包括以下步驟
A、 檢測當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)；
B、 計(jì)算出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置；
C、 對當(dāng)前速度和參考速度進(jìn)行鎖相環(huán)控制，產(chǎn)生速度信號(hào)輸出。 本方案是一種典型的數(shù)字鎖相環(huán)控制速度輸出方法，轉(zhuǎn)子當(dāng)前的速度和位
置信號(hào)在鎖相環(huán)中都已經(jīng)計(jì)算出來了，不需要進(jìn)行差分計(jì)算，它具有以下的優(yōu) 點(diǎn)
(1) 沒有采用反正切函數(shù)這樣耗時(shí)的運(yùn)算量，減少了位置計(jì)算的時(shí)間延時(shí)；
(2) 實(shí)際上， 一個(gè)普通的低通濾波器在算法上對減小噪聲影響的作用很小， 因此沒有直接地對輸入的正弦和余弦信號(hào)增加低通濾波器，這大大地減少了算
6法的執(zhí)行時(shí)間；
(3) 速度計(jì)算和位置信號(hào)的采樣率相同，相位延時(shí)對速度測量的影響很?。?br> (4) 式子中沒有采用微分或差分運(yùn)算，即使在高速的采樣率下，噪聲對速度 的影響也會(huì)明顯減小。
以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的各較佳實(shí)施例進(jìn)行較為詳細(xì)的說明。


圖1本發(fā)明實(shí)施例中的混合動(dòng)力永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器安裝示意
圖2本發(fā)明混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法流程圖3本發(fā)明中的轉(zhuǎn)子位置檢測和誤差補(bǔ)償流程圖4本發(fā)明中的位置信號(hào)鎖相環(huán)回路框圖5本發(fā)明中的速度控制鎖相環(huán)回路框圖6本發(fā)明實(shí)施例中的速度鎖相環(huán)控制流程圖。
圖中1信號(hào)盤，2探測器，3定子，4轉(zhuǎn)子，5位置傳感器支架，6 轉(zhuǎn)軸，7轉(zhuǎn)子支架；
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一，如圖2所示 一種混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法，電機(jī)控 制單元(MCU)接收電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的位置信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D 轉(zhuǎn)換)和誤差補(bǔ)償后，通過鎖相環(huán)技術(shù)，輸出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置，并結(jié)合 提供的參考速度，利用鎖相環(huán)反饋技術(shù)，控制電枳4斜見定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，包括以 下步驟
A、 檢測當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)；
B、 計(jì)算出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置；
C、 對當(dāng)前速度和參考速度進(jìn)行鎖相環(huán)控制，產(chǎn)生速度信號(hào)輸出。 其中，步驟A包括以下分步驟
Al、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出正弦和余弦的位置模擬信號(hào)；A2、將正弦和余弦的位置模擬信號(hào)輸入至電機(jī)控制單元的數(shù)字信號(hào)處理器
的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。
如圖3所示，步驟B包括以下分步驟 Bl、對位置信號(hào)進(jìn)行解碼和補(bǔ)償；
B2、對位置信號(hào)進(jìn)行鎖相環(huán)控制，輸出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置。 當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)渦流位置傳感器開始檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)情況， 并實(shí)時(shí)輸出正弦和余弦對時(shí)間的兩5^f立置模擬信號(hào)，該兩路信號(hào)輸出連接了電 機(jī)控制單元內(nèi)的DSP控制芯片的兩個(gè)AD通道，通過釆樣和編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號(hào)，經(jīng)過DSP電機(jī)控制芯片對位置信號(hào)進(jìn)行解碼和誤差補(bǔ)償后得到s in ( 0raj 和cos ( ,并結(jié)合反饋的sin( 0PU(k-l))和cos ( 0^(k-1))信號(hào)與計(jì)算出 來的ISG控制扭矩Tw進(jìn)行位置鎖相環(huán)控制，得到抗千擾的、準(zhǔn)確的電機(jī)速度 w^(S)和位置"ll(S)，這里的閉環(huán)控制是一種鎖相環(huán)控制?？刂瓶驁D如圖4 所示，控制算式如下式
& (A) = (Shl(0咖a (Q) C0SWPLL (A — l)) - C0S(^a (") Siri(epLL ^ — l)))
(a)
(b)
7" 出 、 jc2 (A:) = jc2 (先一1) + AT jc, (6) + 1SG、 J + K^OT (A)
乂
LL W = All (") +臘2 W + A7X人("
PLL W = (1 — K^"wpll(A — 1) + ^^^2("十X^饑(A:)
其中，
AD采樣速率
^ 測量的角度位置誤差
A、 & 中間變量
^ll 經(jīng)鎖相回路計(jì)算出的轉(zhuǎn)子位置
"pll 經(jīng)鎖相回路計(jì)算出的轉(zhuǎn)子速度
^ 由摩擦等原因出現(xiàn)的扭矩誤差
(c)
(d)
(e)計(jì)算出來的ISG控制鈕矩 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 鎖相環(huán)比例、積分、微分增益 速度反饋增益 經(jīng)j氐通濾波的速度增益。 經(jīng)過上述計(jì)算和處理后，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度(S)和位置(S)，
而將電機(jī)當(dāng)前速度與電機(jī)所需的速度^ef(S)進(jìn)行比較，經(jīng)過比例積分，得到
增速或減速扭矩二t,再結(jié)合空載或負(fù)栽扭矩rlMd，利用速度鎖相環(huán)進(jìn)行控制，
如圖5所示，控制算式如下式
wOT(A:) = wref(A:)-6^ea(" (f) A (A:) = x, ^ — 1) + A77:I(Bwerr (" (g)
乙("=& fc ref ("-"鵬("]+ A W (h)
其中，
ATAD采樣速率
(0err角速度的位置i吳差
乂l 、 義2中間變量
速度積分增益
速度比例增益
可調(diào)增益
增速或減速扭矩
空載或負(fù)載扭矩。
上式中參考速度w ref (S)為請求的電機(jī)速度，作為鎖相環(huán)回路的輸入，wnea (s)
為根據(jù)位置信號(hào)計(jì)算測得的電機(jī)速度，作為鎖相環(huán)回路的輸出，也作為閉環(huán)控 制的另一個(gè)比較輸入。
在上述速度控制鎖相環(huán)中，參考速度o^f(S)是指人為要求的速度大小， 即我們發(fā)送速度命令時(shí)設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)際上是由混合動(dòng)力汽車的整車控制
J ISG
K/j 《/)單元HCU產(chǎn)生的需求作為速度的輸入。而a7眼(S)是指經(jīng)過鎖相環(huán)后，實(shí)際 測量的速度輸出，它可能與我們設(shè)定的參考速度有細(xì)纟效的偏差，用鎖相環(huán)控制， 就是想讓它與參考速度w f (S)的偏差達(dá)到最小。這個(gè)參考速度命令的發(fā)送是 通過混合動(dòng)力汽車上的CAN總線以消息的形式發(fā)出的，在MCU單元接收后，由 DSP控制芯片進(jìn)行處理和控制。
7i。"是指空載或負(fù)載扭矩，是由電機(jī)負(fù)載決定的，負(fù)載確定之后，它就 是一個(gè)常量。匸是指增速或減速扭矩，是根據(jù)參考速度，通過比例積分(PI)
計(jì)算出的扭矩。舉例當(dāng)我們設(shè)定電機(jī)參考速度0^f(S)為400轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，通
過PI控制，會(huì)根據(jù)此速度計(jì)算出一個(gè)對應(yīng)的乙t,當(dāng)鎖相環(huán)輸出w自(S)變化 時(shí)，乙t也會(huì)相應(yīng)地變化，當(dāng)輸出w,(S)和輸入o^f(S)達(dá)到一致時(shí)，乙t就維 持恒定。
最終得到并輸出抗干擾能力強(qiáng)的、準(zhǔn)確的、穩(wěn)定的電機(jī)速度。 從上面的位置鎖相環(huán)計(jì)算式子中可以看出，此鎖相環(huán)有以下的優(yōu)點(diǎn)
(1) 沒有采用反正切函數(shù)這樣耗時(shí)的運(yùn)算量，減少了位置計(jì)算的時(shí)間延時(shí)；
(2) 實(shí)際上， 一個(gè)普通的低通濾波器在算法上對減小噪聲影響的作用很小， 因此沒有直接地對輸入的正弦和余弦信號(hào)增加低通濾波器，這大大地減少了算 法的執(zhí)行時(shí)間；
(3) 速度計(jì)算和位置信號(hào)的采樣率相同，相位延時(shí)對速度檢測的影響很小；
(4) 式子中沒有采用微分或差分運(yùn)算，即使在高速的采樣率下，噪聲對速度 的影響也會(huì)明顯減小。
從上面的速度控制鎖相環(huán)式子可以看出，此鎖相環(huán)是基于比例積分控制， 以可調(diào)增益4作為獨(dú)立的前饋條件(Z,產(chǎn)O. 5~1.5)，為了完成適當(dāng)?shù)目刂疲?4可以做相應(yīng)的調(diào)整。
實(shí)施例二，如圖6所示，為本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例流程圖，包括以下步
驟
1、電機(jī)位置傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置信號(hào)；
102 、傳感器將檢測的位置信號(hào)以正弦和余弦的模擬信號(hào)形式輸出；
3、 在MCU內(nèi)，DSP的A/D通道將接收的正弦和余弦的位置模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù) 模轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行解碼和補(bǔ)償；
4、 在DSP內(nèi)，對經(jīng)過補(bǔ)償?shù)奈恢眯盘?hào)進(jìn)行位置鎖相環(huán)控制；
5、 閉環(huán)輸出當(dāng)前速度和位置信號(hào)；
6、 當(dāng)MCU接收到HCU發(fā)送的速度消息命令后，以設(shè)定的參考速度和實(shí)際測 得的當(dāng)前速度進(jìn)行速度鎖相環(huán)控制，維持穩(wěn)定的速度輸出，使電機(jī)按規(guī)定的參 考速度運(yùn)行。
在上面的流程圖中，假設(shè)空載或負(fù)載扭矩已經(jīng)確定，開始時(shí)，電機(jī)速度為 0轉(zhuǎn)/分鐘，現(xiàn)在通過HCU發(fā)送一個(gè)參考速度，比如400轉(zhuǎn)/分鐘作為輸入，讓 電機(jī)能在400轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)位置和速度的鎖相環(huán)測量方法， 測出當(dāng)前的速度(因?yàn)槭情_始時(shí)，實(shí)際上為0轉(zhuǎn)/分鐘)，并與參考速度(400 轉(zhuǎn)/分鐘)作比較，比較它們的差值，經(jīng)過計(jì)算，得出此速度對應(yīng)的增速或減 速扭矩，經(jīng)過速度鎖相環(huán)控制后，速度輸出會(huì)從0轉(zhuǎn)/分鐘增至400轉(zhuǎn)/分鐘并 維持穩(wěn)定。根據(jù)位置和速度鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)情況，實(shí)際輸出的速度與輸入的參考 速度可能會(huì)有細(xì)微的偏差。
權(quán)利要求
1、一種混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法，在電機(jī)控制單元中，接收電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的當(dāng)前位置信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和誤差補(bǔ)償，通過鎖相環(huán)技術(shù)，輸出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置，并結(jié)合提供的參考速度，利用鎖相環(huán)反饋技術(shù)，控制電機(jī)按規(guī)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，包括以下步驟A、檢測當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)；B、計(jì)算出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置；C、對當(dāng)前速度和參考速度進(jìn)行鎖相環(huán)控制，產(chǎn)生速度信號(hào)輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法，其特征在于 步驟A中，是按以下步驟^r測出當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)的Al、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出正弦和余弦的位置模擬信號(hào)； A2、將正弦和余弦的位置模擬信號(hào)輸入至電機(jī)控制單元的數(shù)字信號(hào)處理器 的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法，其特征在于 步驟B中，是按以下步驟計(jì)算出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置的Bl、對位置信號(hào)進(jìn)4于解碼和補(bǔ)償；B2、對位置信號(hào)進(jìn)行鎖相環(huán)控制，輸出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法，其特征在于步驟B2中，轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置是通過對解碼和補(bǔ)償后的位置信號(hào)進(jìn)行鎖相環(huán)控制而獲得的，采用了以下控制算式<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 3</formula>AD采樣速率 測量的角度位置誤差A(yù)、x2 中間變量經(jīng)鎖相回路計(jì)算出的轉(zhuǎn)子位置 經(jīng)鎖相回路計(jì)算出的轉(zhuǎn)子速度 由摩擦等原因出現(xiàn)的扭矩誤差計(jì)算出的ISG控制鈕矩 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 A、 鎖相環(huán)比例、積分、微分增益速M(fèi)饋增益經(jīng)低通濾波的速度增益。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法，其特征在于步驟C中，對速度信號(hào)進(jìn)行鎖相環(huán)控制過程中，利用了參考速度和步驟B中測得的轉(zhuǎn)子當(dāng)前速度，對速度進(jìn)行鎖相環(huán)控制后輸出，包括以下控制算式WOT (" = Wref (A) — W咖a (A) (f)匸(""p,ff ("-仏) 其中，△T7 AD采樣速率角速度的位置誤差 A、 A 中間變量速度積分增益 A 速度比例增益 &f 可調(diào)增益乙， 增速或減速扭矩r一 空載或負(fù)載扭矩。
6、根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的任何一種混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法， 其特征在于所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器為渦流位置傳感器，其輸出含有轉(zhuǎn)子 位置信息的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混合動(dòng)力汽車中電機(jī)速度控制方法。在電機(jī)控制單元中，接收電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的位置信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和誤差補(bǔ)償，通過鎖相環(huán)技術(shù)，計(jì)算出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置，并結(jié)合提供的參考速度，利用鎖相環(huán)反饋技術(shù)，控制電機(jī)按規(guī)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。包括以下步驟A.檢測當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)；B.計(jì)算出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置；C.對當(dāng)前速度和參考速度進(jìn)行鎖相環(huán)控制，產(chǎn)生速度信號(hào)輸出。本發(fā)明是一種典型的數(shù)字鎖相環(huán)控制速度輸出方法，轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和位置信號(hào)在鎖相環(huán)中都已經(jīng)計(jì)算出來了，減少了位置計(jì)算的時(shí)間延時(shí)，鎖相環(huán)的控制算式中沒有采用微分或差分運(yùn)算，即使在高速的采樣率下，噪聲對速度的影響也會(huì)明顯減小。
文檔編號(hào)B60L15/20GK101450630SQ200810217718
公開日2009年6月10日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者波 宋 申請人:奇瑞汽車股份有限公司