具有电动机温度补偿的车辆的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种具有电动机温度补偿的车辆。所述车辆包括逆变器供电的一个或多个电机，例如永磁同步电动机。响应于扭矩请求，控制器向计算的逆变器发布命令，以使得电动机在当前温度下产生所请求的扭矩。一种方法，调节绕组电流的直流分量，从而有效地传递所请求的扭矩。对于给定的转子速度、总线电压和扭矩，直流分量随着温度的升高而增大。
【专利说明】具有电动机温度补偿的车辆
【技术领域】
[0001]本公开涉及电动机的控制。
【背景技术】
[0002]由于相对于其他类型的电动机来说，永磁同步电动机(PMSM)通常具有优良的效率特性，因此PMSM被用于各种应用。通常，PMSM在定子内具有三个独立的电绕组，这三个独立的电绕组分别由交流(AC)电压Va、Vb和V。供电。在操作时，绕组电流Ia、Ib和I。均以与转子速度成比例的频率振荡，并在相位上彼此分开120度。这些绕组电流感应出旋转磁场，所述磁场可能与转子不同相。产生的轴扭矩取决于磁场的强度和相对于转子的相位角。影响所产生的扭矩的温度会影响永磁体的磁特性。精确的扭矩传递需要补偿温度效应。
[0003]为了方便，绕组电压和电流可由针对于与转子一起旋转的旋转参考系的矢量表示。转子位置和旋转参考系之间的映射取决于电动机中的极的数量。电压矢量具有直流分量Vd和正交分量\。类似地，电流具有直流分量Id和正交分量I,。vd、\、Id和I,不会基于转子位置而振荡。
[0004]在诸如电动车辆和混合动力电动车辆的特定应用中，可从不振荡的直流(DC)电压源(例如，电池)获得电功率。因此，逆变器用于将不振荡电压Vd。转换成三个振荡电压。逆变器包含特定数量的开关装置，因此，逆变器能够在三个电动机端子中的每个电动机端子处仅供应特定大小的电压电平。对于两电平逆变器来说，在任何时候，开关装置都被设置为将三个AC电动机端子中的每个电动机端子电连接到正DC端子或负DC端子。因此，可获得8个开关状态。这些开关状态中的两个开关状态被称为零状态，在这两个零开关状态下，三个AC端子均连接到同一 DC端子。在其余的六个状态下，一个AC端子连接到DC端子之一，其余的两个AC端子连接到相反的DC端子。逆变器能够在这8个状态之间快速地切换。
【发明内容】
[0005]在一个实施例中，公开了一种补偿温度的方法。响应于扭矩请求，所述方法基于温度调节扭矩请求。基于该调节的扭矩请求计算绕组电流的直流分量和正交分量。基于温度进一步调节所计算的直流分量。最后，向逆变器发布命令，以实现目标绕组电流。在某些实施例中，当扭矩请求低于阀值时，不对所计算的直流分量进行调节。所述阀值可基于转子速度和总线电压。
[0006]在另一实施例中，一种车辆包括总线、诸如永磁同步电动机的电机、逆变器和控制器。所述逆变器被构造成给电机供应绕组电流，所述绕组电流具有直流分量(Id)和正交分量(I,)。所述控制器被配置成向逆变器发布脉冲宽度调制命令，以调节绕组电流，使得对于电机的给定速度和扭矩以及总线电压，直流分量随着温度的升高而增大。直流分量在给定的速度、扭矩和电压下可小于零。
[0007]在另一实施例中，一种控制器，包括输入接口、输出接口和控制逻辑。所述输入接口接收指示电总线的电压、电机的温度和转子速度的信号。所述输出接口被构造成向逆变器发送脉冲宽度调制命令，使得逆变器向电机供应具有直流分量(Id)和正交分量(Iq)的绕组电流，从而使电机产生扭矩。所述控制逻辑被编程为调节脉冲宽度调制命令，从而对于给定转子速度、总线电压和扭矩，直流分量随着温度的升高而增大。直流分量在给定的速度、扭矩和电压下可小于零。
[0008]给定的转子速度大于零。
[0009]在另一实施例中，一种操作具有温度的电机的方法，所述方法包括:接收扭矩请求；基于温度调节扭矩请求；基于所调节的扭矩请求来计算目标绕组电流的直流分量(Id)和正交分量(I,);基于温度调节所计算的直流分量；向逆变器发布供应大体上等于所调节的目标绕组电流的绕组电流的命令。
[0010]当扭矩请求低于阀值时，不基于温度对所计算的绕组电流的直流分量进行调节。[0011 ] 阀值基于电机的转子速度。
[0012]阀值还基于逆变器的总线电压。
[0013]直流分量和正交分量基于电机的转子速度。
[0014]直流分量和正交分量还基于逆变器的总线电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是示例性混合动力电动车辆的动力传动系的示意图。
[0016]图2是在示例性混合动力电动车辆的动力传动系中的控制器。
[0017]图3是关于绕组电流的直流分量和正交分量永磁同步电动机在参考温度下的一般特性的曲线图。
[0018]图4是关于绕组电流的直流分量和正交分量永磁同步电动机随着温度改变的一般特性的曲线图。
[0019]图5是用于永磁同步电动机的控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020]在此描述本公开的实施例。然而，应该理解，公开的实施例仅仅是示例，其他实施例可采用各种和可选的形式。附图不一定按照比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不应该被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一幅图示出和描述的各个特征可与在一幅或多幅其他附图中示出的特征相结合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，可期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型用于特定应用或实施方式。
[0021]在图1中示出了示例性混合动力电动车辆的动力传动系的示意图。然而，要求保护的发明不限于该动力传动系拓扑结构。内燃发动机110驱动行星齿轮组114的行星架112。通过行星齿轮组114在太阳齿轮116和齿圈齿轮118之间分配发动机扭矩。齿圈齿轮118的扭矩机械地传递到输出轴120。太阳齿轮116的扭矩被发电机122吸收。电动机124可驱动地连接到输出轴120。通过该描述，术语“发电机”和“电动机”仅用作识别这些部件的标签。发电机122和电动机124均是可逆电机，能够将机械轴动力转换成电动力以及将电动力转换成机械轴动力。针对电动机描述控制方法，但是所述控制方法可等同地应用于发电机。驱动轴可驱动地连接到差速器126，差速器126在左车轮128和右车轮128之间分配动力，同时允许车轮速度稍微不同。电功率连接由具有长划线的虚线示出。发电机122通过三相功率电路由逆变器130电驱动，电动机124通过三相功率电路由逆变器132电驱动。逆变器130和132从DC电总线134获取电能或者将电能供应到DC电总线134。电能储存在电池136中。DC至DC转换器138将电池136的电压电平转换成DC电总线134的电压电平。DC电总线134的电压可以高于或低于电池的电压。控制信号连接由具有短划线的虚线示出。控制器140将指定DC电总线134的期望电压的控制信号发布到DC至DC转换器138。控制器140还将控制命令发布到发动机110、逆变器130和132，以分别调节由发动机110、发电机122和电动机124产生的扭矩。如果由电动机124实际传递的扭矩明显不同于请求的扭矩，则车辆的加速度将与驾驶员的期望不匹配。如果由发电机122实际传递的扭矩明显不同于请求的扭矩，则发动机速度将偏离期望的行为。
[0022]在图2中更加详细地示意性地示出了控制器140。车辆系统控制器210接收指示车辆速度、加速器踏板位置、制动踏板和各种其他车辆数据的信号。基于该数据，车辆系统控制器210确定目标DC总线电压和目标输出轴扭矩，并将扭矩请求eng发布到发动机控制器212，将扭矩请求Ireq gen发布到发电机控制器214，将扭矩请求发布到电动机控制器216。发电机控制器214的输出是针对逆变器130内的开关的开关状态，电动机控制器216的输出是针对逆变器132内的开关的开关状态。控制器214和216接收指示对应的转子的角位置(标记为?K)、DC电总线134的电压(标记为Vd。)、每个绕组中的电流(标记为Ia、Ib和I。)以及电机的温度的输入信号。可变电压控制器218将命令发布到DC至DC转换器138，以实现目标总线电压。控制器210、212、214、216和218可被实施为单个微控制器或者多个通信控制器。
[0023]图3示出了在旋转参考系中针对绕组电流逆变器供电的PMSM在特定参考温度下的典型特性。在该图中，水平轴表示直流分量Id，竖直轴表示正交分量I,。曲线310表示将产生特定的输出扭矩的Id和Iq的不同组合。曲线312、314和316表示输出扭矩逐渐变得更高的组合。虽然沿着这些曲线中的每条曲线的每个点产生相同的输出扭矩，但是Id和Iq中的一些组合与其他组合相比将与更高的损失相关。线318表示对于每个扭矩大小来说最高效的操作点。然而，不可能一直在该状况下操作。点320表示，在三个电动机端子如在逆变器处于零状态的情况下所发生的而直接彼此连接的情况下，当转子以特定速度旋转时可由转子中的永磁体在绕组中感应出的电流。这可被称为短路电流。由逆变器施加的电压改变由这种状况产生的绕组电流。曲线322表示在特定的转子速度和总线电压电平下可由逆变器实现的状况的边界。在更高的总线电压或更低的转子速度时，边界扩张为如由曲线324所示。
[0024]已知两种基本的控制方法用于在逆变器状态之间进行切换，以调节PMSM的扭矩输出。在六步法中，每经历一个转子周期，逆变器就循环通过六个非零状态，从而在每个绕组中产生振荡电压和电流。转子周期是相对于电动机的极而被限定的，其不一定对应于周转。AC电压的幅值由DC电压控制。扭矩由DC电压、转子速度、以及这些准正弦AC电压信号与转子位置之间的相位差控制。控制器将指示何时切换到序列中的下一个状态的命令发布到逆变器。在六步模式下，绕组电流的分量(Id和I,)位于诸如图3中的曲线322或324的曲线上。所述曲线通过总线电压Vd。和转子速度ω而确定。沿所述曲线的位置通过电压角(θν)而确定。控制器通过调节控制器将逆变器切换至下一个非零逆变器状态的时间来调节?v。目标电压角是扭矩请求、转子速度和总线电压的非线性函数。
[0025]在PWM方法中，逆变器在非零状态中的两个非零状态以及零状态中的一个零状态之间非常快速地进行切换。控制器通过指定脉宽调制(PWM)占空比周期来指定哪个时间片段应该花在这三个状态中的每个状态上。控制器以规则的间隔更新这些占空比周期，使得更新的频率明显高于转子旋转的频率。在PWM模式下，绕组电流的分量Id和I,位于以诸如图3中的曲线322或324的曲线为边界的区域中。正如六步法，曲线由总线电压Vd。和转子速度ω确定，但是对于特定的Vd。和ω来说，该曲线可能稍微在六步法的曲线内侧一些。控制器通过使用闭环控制调节Vd和V,来调节Id和I,。然后，控制器基于转子位置
和\转换成对逆变器的PWM占空比周期命令。
[0026]绕组电流的目标分量匕和,是扭矩请求、转子速度和总线电压的非线性函数。在低扭矩请求、低速度和高总线电压时，沿着图3中的线318选择匕和,，以获得最高效的操作。然而，在高扭矩请求、高速度和低总线电压时，不可能沿着线318进行操作。可获得的最高效的操作点沿着诸如322的曲线布置，该曲线表示在当前转子速度和总线电压时操作区域的边界。该操作区域被称为磁场消弱区域。 [0027]图4示出了温度的影响。在参考温度之上的升高的温度下，永磁体变得更弱。在参考温度下，线310表示产生特定扭矩的Id和I,的各种组合。在更高的温度下，这个曲线偏移成虚线410。因为永磁体变弱，所以绕组电流必须更高以产生相同的扭矩。此外，短路电流变成较小的负值。点320表示参考温度下的短路电流，而点420表示升高的温度下的短路电流。因此，在给定的转子速度和总线电压下可实现的操作区域也偏移成如曲线322和虚线422所示。在参考温度下，控制器将通过选择针点430的匕和,而响应于与曲线310相关的扭矩请求。在升高的温度下，一种方法可以是将值AT增加到所请求的扭矩，以补偿所述恒定扭矩线中的偏移。利用该方法，控制器将选择点432的匕和1\。虽然这能产生期望的扭矩，但是不能选择最高效的操作点。在升高的温度下也会产生期望的扭矩的点434更靠近最大效率线318，从而该点会更有效地产生扭矩。如果这种调节所请求的扭矩的简单方法被用于补偿降低的温度，那么由于可实现区域向左偏移，导致获得的操作点会移至该区域之外。因此，匕和,表必须在最低的操作温度下校准，使效率处于更高的温度下。
[0028]图5示出了温度补偿方法，所述温度补偿方法补偿恒定扭矩线中的偏移和可实现操作区域的偏移。在步骤510，控制器基于所测量的温度通过缩放20摄氏度下的已知的磁通来计算估计的磁通(λπ#)。&_是可校准常量。在步骤512，控制器计算磁通量的改变Δ Am，Δ λ m与表被校准的温度下的磁通Am—UJT相关。接下来，控制器计算参数(TaperId),所述参数的作用是当电动机未在可实现区域的边界上工作时限制温度调节。当TaperId等于I时，该方法完全补偿可实现区域中的偏移。然而，当电动机沿着线318远离可实现区域的边界工作时，TaperId被设置为O。如果电动机以六步模式工作，则在步骤516，TaperId被设置为I。如果电动机以PWM模式运转，则在步骤518计算调制指数。在步骤520，如果调制指数低于下限阀值，则TaperId被设置为0，如果调制指数高于上限阀值，则TaperId被设置为1，如果调制指数位于这两个阀值之间，则TaperId被设置为中间值。在步骤522，控制器计算AId。如果TaperId等于I,则Δ Id是由转子感应的绕组电流的变化。在步骤524,控制器在表中查找Ldiff (正交轴和直流轴之间的感应差)。接下来，控制器使用步骤526的公式来计算扭矩请求调节值(Tatu)。这里，使用所测量的I,值。P是电动机中的极对数。在步骤528，扭矩调节值被加到所请求的扭矩上。在步骤530，控制器基于所调节的扭矩命令、转子速度ω和总线电压Vd。来查找扭矩控制参数rd，l\和Θ\。最后，在步骤532，控制器将λ Id增加到rd。如果rd是负的，则增大rd会使得rd变成较小负值，且减小rd会使得rd变成较大负值。
[0029]如果控制器通过补偿来增加温度而不补偿可实现区域的偏移，则rd将会减小变成更大的负值。然而，当使用图5中的方法时，rd可增大而变为较小的负值。
[0030]虽然在上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意在描述了权利要求所包含的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被结合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。虽然各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或多个期望的特性方面优于其他实施例或现有技术的实施方式，但是本领域的普通技术人员应该认识到，一个或多个特点或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或多个特性方面不如其他实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。
【权利要求】
1.一种具有电动机温度补偿的车辆，包括: 总线； 电机，具有温度； 逆变器，被构造成给电机供应绕组电流，所述绕组电流具有直流分量和正交分量；控制器，被配置成向逆变器发布脉冲宽度调制命令，以调节绕组电流，使得针对于电机的给定速度和扭矩以及总线电压，直流分量随着温度的升高而增大。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，控制器还被配置成以六步模式使逆变器操作，在所述六步模式中，在不利用脉冲宽度调制命令的情况下调节绕组电流。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中，在给定的速度、扭矩和电压下，绕组电流的直流分量小于零。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中，给定的速度大于零。
【文档编号】B60L11/08GK103684203SQ201310398087
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2012年9月7日
【发明者】丹尼尔·利德基 申请人:福特全球技术公司