專(zhuān)利名稱(chēng)：電動(dòng)馬達(dá)扭矩估算的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)馬達(dá)扭矩估算。本發(fā)明還涉及使用永磁(PM)馬達(dá)的混合動(dòng)力及電動(dòng)車(chē)輛。
背景技術(shù)：
永磁(PM)同步馬達(dá)的使用已變得十分廣泛?？傮w上，PM同步馬達(dá)包括轉(zhuǎn)子，其具有安裝在轉(zhuǎn)子周邊或隱藏在馬達(dá)內(nèi)部的永磁體。在一些PM同步馬達(dá)的應(yīng)用中，需要估算產(chǎn)生的馬達(dá)扭矩?，F(xiàn)有扭矩估算方法基于扭矩方程T = P/2[phiXIq+ (Ld-Lq) X IdX Iq]其中P為磁極數(shù)，phi為永磁體磁鏈(flux linkage)，Id和Iq為測(cè)量并轉(zhuǎn)換至馬達(dá)的d軸、q軸的電流，Ld和Lq為d軸、q軸的電感。Ld和Lq還由于磁路的飽和特性而受到Id和Iq的影響。通常，可容易地精確測(cè)量電流，而phi僅隨著溫度線性變化并因此可容易地進(jìn)行調(diào)節(jié)。盡管該方法在一些應(yīng)用中較為合適，然而該方法的問(wèn)題在于估算的精確性總體上依賴(lài)于對(duì)Ld和Lq的估算，而這十分難以達(dá)到。專(zhuān)利文件US2006/0006825A1、US2009/0179602A1、W02007066182A1、EP1014554A2、 US7586286和EP1401093A2中公開(kāi)了背景信息。2001年1月出版的《亞歷山大工程學(xué)》雜志 (Alexandria Engineering Journal)第 40 卷第 1 期中 Y. S. Mohamed 和 A. A. Hassan 撰寫(xiě)的 《改善的直接扭矩控制的感應(yīng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的性能》(Performance of modified direct torque controlled induction motor drives) 一文中可得到更多的背景信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的電動(dòng)馬達(dá)扭矩估算。更為詳細(xì)地，本發(fā)明的目的在于通過(guò)使用電流反饋和電流指令提供對(duì)電機(jī)的扭矩估算的改善。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種控制包括有永磁(PM)同步馬達(dá)的方法。校準(zhǔn)馬達(dá)以使得對(duì)于每個(gè)扭矩指令均具有對(duì)應(yīng)的直軸(d軸，direct-axis)和交軸(q軸， quadrature axis)電流指令。該方法包含建立扭矩指令T*，并分別確定對(duì)應(yīng)于扭矩指令T* 的d軸和q軸電流指令I(lǐng)d*、Iq*。該方法還包含基于Id*、Iq*控制馬達(dá)，并分別測(cè)量d軸和q軸電流Id、Iq。根據(jù)扭矩指令Τ*與扭矩差之和估算輸出扭矩。根據(jù)Id*、Iq*、Id、和Iq的函數(shù)確定扭矩差。可基于估算的輸出扭矩控制車(chē)輛。更為詳細(xì)地，本發(fā)明預(yù)見(jiàn)到在本發(fā)明的任意實(shí)施例中可分別或以合適的組合包括多種其它特征。例如，扭矩指令T*可基于車(chē)輛工況。車(chē)輛可包括存儲(chǔ)器，且基于估算的輸出扭矩控制車(chē)輛可包括將診斷代碼存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中(例如在估算的輸出扭矩處于該值的正常期待范圍之外時(shí))。在一些實(shí)施例中，通過(guò)建立查值表將扭矩指令映射至對(duì)應(yīng)的直軸(d軸)和交軸(q 軸)電流指令。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法還包含分別計(jì)算d軸和q軸電流誤差I(lǐng)d_e和Iq_e，其中 Id_e = Id-Id*, Iq_e = Iq_Iq*。隨后，根據(jù)下列方程確定扭矩差T_diff = Ρ/2 X [Phi X Iq_e+(Ld-Lq) X (Id_e X Iq*+Iq_e X Id*+Id_e X Iq_e)]其中T_diff為扭矩差，P為磁極數(shù)，phi為永磁體磁鏈，Ld為d軸的電感，Lq為q 軸的電感。應(yīng)了解，本發(fā)明實(shí)施例在使用永磁(PM)馬達(dá)的混合動(dòng)力和電動(dòng)車(chē)輛中尤為有用。 另外，可在其它應(yīng)用中采用本發(fā)明實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種控制永磁(PM)同步馬達(dá)的方法。校準(zhǔn)馬達(dá)以使得對(duì)于每個(gè)扭矩指令均具有對(duì)應(yīng)的直軸(d軸)和交軸(q軸)電流指令。該方法包含建立扭矩指令T*，并分別確定對(duì)應(yīng)于扭矩指令T*的d軸和q軸電流指令I(lǐng)d*、Iq*。該方法還包含基于Id*、Iq*控制馬達(dá)，并分別測(cè)量d軸和q軸電流Id、Iq。根據(jù)扭矩指令T*和扭矩差之和估算輸出扭矩。根據(jù)Id*、Iq*、Id和Iq的函數(shù)確定扭矩差?？僧a(chǎn)生指示估算的輸出扭矩的輸出信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法還包含產(chǎn)生指示估算的輸出扭矩的輸出信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法還包含建立查值表用于將各個(gè)扭矩指令映射至對(duì)應(yīng)的直軸(d軸)和交軸(q軸)電流指令。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法還包含分別計(jì)算d軸和q軸電流誤差I(lǐng)d_e、 Iq_e ；其中 Id_e = Id-Id* ；且 Iq_e = Iq_Iq*。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法還包含根據(jù)下列方程確定扭矩差T_diff = Ρ/2 X [Phi X Iq_e+ (Ld-Lq) X (Id_e X Iq*+Iq_e X Id*+Id_e X Iq_e)]其中T_diff為扭矩差，P為磁極數(shù)，phi為永磁體磁鏈，Ld為d軸的電感，Lq為q 軸的電感。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供了一種控制控制永磁(PM)同步馬達(dá)的裝置。該裝置包含馬達(dá)控制器，其配置用于分別基于對(duì)應(yīng)于扭矩指令T*的d軸和q軸電流指令I(lǐng)d*、 Iq*控制馬達(dá)。馬達(dá)控制器分別測(cè)量d軸和q軸電流Id、Iq。根據(jù)扭矩指令Τ*和扭矩差之和估算輸出扭矩，其中根據(jù)Id*、Iq*、Id和Iq的函數(shù)確定扭矩差。可產(chǎn)生指示估算的輸出扭矩的輸出信號(hào)。


圖1為動(dòng)力分離動(dòng)力系統(tǒng)配置的示意圖。圖2為框圖形式的動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力流向圖的示意圖。圖3說(shuō)明了電動(dòng)馬達(dá)裝置，包括馬達(dá)控制器和永磁(PM)同步馬達(dá)。圖4說(shuō)明了控制永磁(PM)同步馬達(dá)的方法。圖5說(shuō)明了控制包括永磁(PM)同步馬達(dá)的車(chē)輛的方法。圖6進(jìn)一步說(shuō)明了估算輸出扭矩更為詳細(xì)的方面。
具體實(shí)施例方式根據(jù)需要，本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)了本發(fā)明的具體實(shí)施例。然而應(yīng)理解，所公開(kāi)的實(shí)施例僅為本發(fā)明的示例，其可以多種替代形式實(shí)施。附圖無(wú)需按比例繪制，可放大或縮小一些特征以顯示特定組件的細(xì)節(jié)。因此，本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的具體結(jié)構(gòu)性和功能性細(xì)節(jié)不應(yīng)解釋為限定，而僅為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以多種方式實(shí)施本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。本發(fā)明涵蓋了電動(dòng)馬達(dá)扭矩估算的多個(gè)方面。下面將更為詳細(xì)地描述其示例。在一個(gè)特定實(shí)施例中，馬達(dá)校準(zhǔn)期間對(duì)扭矩的測(cè)量相對(duì)精確；獲得各個(gè)扭矩值對(duì)應(yīng)的直軸(d軸)和交軸(q軸)電流指令以建立查值表用于將各個(gè)扭矩指令映射至對(duì)應(yīng)的直軸(d軸)和交軸(q軸)電流指令。在馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，基于車(chē)輛工況建立扭矩指令T*，并從查值表分別確定對(duì)應(yīng)于扭矩指令T*的d軸和q軸電流指令。向馬達(dá)發(fā)布電流指令I(lǐng)d*、 Iq*。分別測(cè)量實(shí)際d軸和q軸電流Id、Iq0如果Id、Iq反饋與指令I(lǐng)d*、Iq*匹配得很好，則扭矩應(yīng)當(dāng)非常接近扭矩指令T*。 假定校準(zhǔn)100%精確，如果Id、Iq與Id*、Iq*相比誤差為零，則與扭矩指令T*相比應(yīng)當(dāng)為
零扭距誤差。通過(guò)將Id改寫(xiě)為Id*+Id_e并將Iq改寫(xiě)為Iq*+Iq_e (其中Id_e和Iq_e為誤差)， 扭矩估算可為:T = Ρ/2 X [phi X (Iq*+Iq_e) +(Ld-Lq) X (Id*+Id_e) X (Iq*+Iq_e)]。假設(shè)零電流誤差等同于零扭距誤差，扭矩指令Τ* = Ρ/2 X [phi X Iq*+(Ld-Lq) X Id*XIq*]。將扭矩估算分解為 P/2X [phi X Iq*+(Ld-Lq) X Id*X Iq*]+Ρ/2 X [Phi X Iq_e+(Ld-Lq) XId_ eXIq*+Iq_eXId*+Id_eXIq_e)]，可基于先前的假設(shè)以T*取代第一部分并僅計(jì)算由Id和 Iq的差所導(dǎo)致的扭矩差。該方法可減少對(duì)細(xì)化Ld和Lq估算或計(jì)算(其較為困難且常常不夠精確)的需要?？稍诙喾N應(yīng)用中實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例。一個(gè)示例為混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力系。圖1中顯示了混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力系。車(chē)輛系統(tǒng)控制器(VSC) 10、電池及電池能量控制模塊(BECM) 12、和傳動(dòng)系統(tǒng)14以及馬達(dá)-發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)包含控制器局域網(wǎng)(CAN)。 由VSClO控制的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)16通過(guò)扭矩輸入軸18將扭矩分配至傳動(dòng)系統(tǒng)14。傳動(dòng)系統(tǒng)14包括行星齒輪單元20，其包含環(huán)形齒輪22、中心齒輪對(duì)、和行星架總成沈。環(huán)形齒輪22將扭矩分配至變速齒輪(包含嚙合齒輪元件觀、30、32、34、及36)。傳動(dòng)系統(tǒng)14的扭矩輸出軸38通過(guò)差速器及車(chē)橋機(jī)構(gòu)42可驅(qū)動(dòng)地連接至車(chē)輛牽引輪40。齒輪30、32、及34安裝在中間軸上，齒輪32接合馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的齒輪44。電動(dòng)馬達(dá)46 驅(qū)動(dòng)齒輪44，其作用為中間軸齒輪機(jī)構(gòu)的扭矩輸入。電池通過(guò)能量流路徑48、54向馬達(dá)傳遞電能。如52處，發(fā)電機(jī)50所示的已知方式電連接至電池及馬達(dá)46。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，圖1的動(dòng)力分離動(dòng)力系統(tǒng)可以多種不同模式運(yùn)轉(zhuǎn)。 如圖所示，傳動(dòng)系有兩個(gè)動(dòng)力源。第一動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)的組合，其使用行星齒輪單元20連接在一起。另一動(dòng)力源包括電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(包括馬達(dá)46、發(fā)電機(jī)50、和電池)，其中電池作用為發(fā)電機(jī)50和馬達(dá)46的能量存儲(chǔ)介質(zhì)?？傮w上，VSClO計(jì)算滿足驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力要求加上所有附件負(fù)載所需的總發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力， 并獨(dú)立安排帶有或不帶有實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)性能的反饋的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)以滿足總動(dòng)力要求。此類(lèi)型的方法通常特意用于最大化燃料經(jīng)濟(jì)性并可用在其他類(lèi)型的動(dòng)力系統(tǒng)(例如VSC)中。圖2中說(shuō)明了圖1中所示的動(dòng)力分離動(dòng)力系統(tǒng)圖的多個(gè)元件之間的能量流路徑。 基于駕駛員和其它輸入安排燃料供應(yīng)計(jì)劃。發(fā)動(dòng)機(jī)16向行星齒輪單元20傳輸動(dòng)力。附件負(fù)載減少了可用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力。通過(guò)行星環(huán)形齒輪將動(dòng)力傳遞至中間軸齒輪30、32、34。來(lái)自傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。發(fā)電機(jī)50在作用為馬達(dá)時(shí)可向行星齒輪機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力。當(dāng)作用為發(fā)電機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)50由行星齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。類(lèi)似地，可以任意方向分配在馬達(dá)46和中間軸齒輪30、32、34 之間的動(dòng)力分配。如圖1、2中所示，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出可通過(guò)控制發(fā)電機(jī)50分離為兩條路徑。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)確定駕駛員對(duì)扭矩的需求并在兩個(gè)動(dòng)力源之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的最佳分離。圖3說(shuō)明了電動(dòng)馬達(dá)70。電動(dòng)馬達(dá)70包括馬達(dá)控制器72和永磁(PM)同步馬達(dá) 74?？筛鶕?jù)本發(fā)明實(shí)施例控制電動(dòng)馬達(dá)70。本發(fā)明實(shí)施例在使用PM同步馬達(dá)的混合動(dòng)力及電動(dòng)車(chē)輛中較為有用。例如，馬達(dá)46或發(fā)電機(jī)50 (圖1、2)可采用PM同步馬達(dá)，而電動(dòng)馬達(dá)70可代表馬達(dá)46或發(fā)電機(jī)50。本發(fā)明實(shí)施例在其它應(yīng)用中也十分有用，電動(dòng)馬達(dá)70 可代表一些其它的電動(dòng)馬達(dá)?？傮w上在本示例中，通過(guò)向控制PM同步馬達(dá)74的馬達(dá)控制器 72提供扭矩指令來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)馬達(dá)70并試圖提供指令的扭矩輸出。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，馬達(dá)控制器72可接收其它輸入(例如可用電壓和當(dāng)前馬達(dá)轉(zhuǎn)速)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，計(jì)算來(lái)自電動(dòng)馬達(dá)70的輸出扭矩較為困難。對(duì)于某些應(yīng)用，需要知道其輸出扭矩。 例如，在車(chē)輛應(yīng)用中，可將估算的電動(dòng)馬達(dá)扭矩與該值的期待范圍相比較用于診斷目的。更為詳細(xì)地，圖4說(shuō)明了控制PM同步馬達(dá)74的示例方法。如查值表80處所示， 校準(zhǔn)電動(dòng)馬達(dá)使得對(duì)于每個(gè)扭矩指令均有對(duì)應(yīng)的直軸(d軸)和交軸(q軸)電流指令。在此示例中，查值表80用于基于提供給馬達(dá)控制器的扭矩指令T*和DC總線電壓及馬達(dá)轉(zhuǎn)速來(lái)確定d軸電流指令I(lǐng)d*和q軸電流指令I(lǐng)q*?；贗d*和Iq*控制PM同步馬達(dá)74。隨后測(cè)量實(shí)際d軸電流Id和q軸電流Iq，并在框82處估算輸出扭矩。更為具體地，根據(jù)扭矩指令T*和扭矩差之和估算輸出扭矩。根據(jù)Id*、Iq*、Id、和Iq的函數(shù)確定扭矩差。將估算的輸出扭矩T(或扭矩差T*)提供給合適的車(chē)輛控制器以在控制車(chē)輛(包括例如診斷分析)時(shí)使用。圖5說(shuō)明了控制包括永磁(PM)同步馬達(dá)的車(chē)輛的方法。在框90處，校準(zhǔn)馬達(dá)并建立查值表用于將各個(gè)扭矩指令映射至對(duì)應(yīng)的直軸(d軸)和交軸(q軸)電流指令。用于建立這種查值表的技術(shù)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。在框92處，基于車(chē)輛工況建立扭矩指令T*。在框94處，分別確定對(duì)應(yīng)于扭矩指令T*的d軸和q軸電流指令I(lǐng)d*、Iq*。在框96 處，基于Id*和Iq*控制馬達(dá)。在框98處，分別測(cè)量d軸和q軸電流Id、Iq。在框100處根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例估算輸出扭矩。更為詳細(xì)地，根據(jù)扭矩指令T*和扭矩差之和估算輸出扭矩。根據(jù)Id*、Iq*、Id、和Iq的函數(shù)確定扭矩差。如框102處所指示， 可以多種方式使用估算的輸出扭矩。例如，可基于估算的輸出扭矩控制車(chē)輛，可將診斷代碼存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中、或者可產(chǎn)生指示估算的輸出扭矩的輸出信號(hào)。圖6說(shuō)明了估算輸出扭矩的其它更為詳細(xì)的方面。在框110處，根據(jù)I_e = Id-Id* 和Iq_e = Iq-Iq*分別計(jì)算d軸和q軸電流誤差I(lǐng)d_e、Iq_e。在框112處，根據(jù)下列方程計(jì)算扭矩差
T_diff = Ρ/2 X [Phi X Iq_e+ (Ld-Lq) X Id_e X Iq*+Iq_e X Id*+Id_e X Iq_e)]其中T_diff為扭矩差，P為磁極數(shù)，phi為永磁體磁鏈，Ld為d軸的電感，Lq為q 軸的電感。盡管上文已經(jīng)描述了本文的示例性實(shí)施例，其并非意為著這些實(shí)施例描述了本發(fā)明的所有可能形式。應(yīng)當(dāng)理解為，本說(shuō)明書(shū)中所使用的詞語(yǔ)為描述性詞語(yǔ)而非限定，且應(yīng)理解可作出多種改變而不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。另外，可組合多種實(shí)施例的特征以構(gòu)成本發(fā)明的其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種控制永磁(PM)同步馬達(dá)的裝置，所述裝置包含 馬達(dá)控制器，配置用于分別基于對(duì)應(yīng)于扭矩指令τ*的d軸和q軸電流指令I(lǐng)d*和Iq*控制所述馬達(dá)； 分別測(cè)量d軸和q軸電流Id、Iq ；以及根據(jù)所述扭矩指令T*和扭矩差之和估算輸出扭矩，根據(jù)Id*、Iq*、Id、和Iq的函數(shù)確定所述扭矩差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述馬達(dá)控制器進(jìn)一步配置用于 產(chǎn)生指示所述估算的輸出扭矩的輸出信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述馬達(dá)控制器進(jìn)一步配置用于建立查值表用于將各個(gè)扭矩指令映射至所述對(duì)應(yīng)的直軸(d軸)和交軸(q軸)電流指令。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述馬達(dá)控制器進(jìn)一步配置用于 分別計(jì)算d軸和q軸電流誤差I(lǐng)d_e、Iq_e ；其中 Id_e = Id-Id* ； 且 Iq_e = Iq-Iq氺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中根據(jù)下列方程確定所述扭矩差 T_diff = Ρ/2 X[Phi X Iq_e+(Ld-Lq)XId_eXIq*+Iq_eXId*+Id_eXIq_e)]其中T_diff為所述扭矩差，P為磁極數(shù)，phi為永磁體磁鏈，Ld為所述d軸的電感，Lq 為所述q軸的電感。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種控制包括永磁(PM)同步馬達(dá)的車(chē)輛的方法。校準(zhǔn)馬達(dá)以使得對(duì)于每個(gè)扭矩指令均具有對(duì)應(yīng)的直軸(d軸)和交軸(q軸)電流指令。該方法包擴(kuò)建立扭矩指令T*。分別確定對(duì)應(yīng)于扭矩指令T*的d軸和q軸電流指令I(lǐng)d*、Iq*?；贗d*、Iq*控制馬達(dá)。分別測(cè)量d軸和q軸電流Id、Iq。根據(jù)扭矩指令T*與扭矩差之和估算輸出扭矩。根據(jù)Id*、Iq*、Id、和Iq的函數(shù)確定扭矩差?？苫诠浪愕妮敵雠ぞ乜刂栖?chē)輛。
文檔編號(hào)H02P6/08GK102386817SQ201110230969
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者J·吳 申請(qǐng)人:福特全球技術(shù)公司