专利名称：用于控制包括电机的车辆的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV)的电力驱动扭矩脉动补偿。
背景技术：
混合动力电动车辆(HEV)使用电池作为能量储存系统。插电式混合动力电动车辆(PHEV)是现有的混合动力电动车辆(HEV)技术的延伸。PHEV采用容量比标准的混合动力电动车辆的电池组的容量更大的电池组，并增加了从标准的电气插口对电池进行再充电的能力，以减少燃料消耗并进一步改善电力驱动模式或者混合驱动模式下的燃料经济性。还存在电机完全取代内燃机的电池电动车辆(BEV)的应用。HEV, PHEV和BEV各自包括电动机驱动系统，电动机驱动系统包括永磁(PM)同步电机。PM同步电机包括具有永磁体的转子，所述永磁体安装在所述转子的外周或者埋置在所述转子内。电动机驱动系统产生扭矩脉动。电机输出扭矩含有由基于电机的转子位置的磁力变化导致的扭矩脉动。在补偿扭矩脉动的现有方法中，采用扭矩谐波注入方法(torqueharmonicsinjection method),以通过增加根据电机转子位置和速度计算的消除脉动扭矩(cancellation ripple torque)来修正电机扭矩命令。注入扭矩谐波会因为难以测量扭矩以及由于电机电流、扭矩和转子位置之间的关系不简单直接的事实而变得困难。可在第7，768，220 号、第 7，696，709 号、第 7，843，154 号、第 7，538，469 号、第6，828，752号美国专利中找到背景技术信息。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于控制包括电机的车辆的系统。所述系统包括控制器，所述控制器被配置为:利用包括多个电流谐波分量的电机电流来控制电机。所述多个电流谐波分量中的至少两个具有不同的幅值。在一个方面，当电机的扭矩脉动是电的k阶谐波时，所述多个电流谐波分量可包括具有第一幅值的电的k-Ι阶谐波分量和具有与第一幅值不同的第二幅值的电的k+Ι阶谐波分量，k可以是例如大于I的整数。在另一方面，所述控制器还可被配置为:从电机获得多个反馈电流；还基于所述多个反馈电流控制电机。在本发明的另一实施例中，提供了一种控制车辆的方法。车辆包括永磁(PM)同步电机。所述永磁同步电机被校准成使得对于每个扭矩命令，存在对应的直轴(d轴)电流命令和交轴(q轴)电流命令。所述方法包括:确立扭矩命令:分别确定与扭矩命令对应的d轴电流命令Id和q轴电流命令Iq。基于转子位置确定多个电流谐波分量。所述多个电流谐波分量中的至少两个具有不同的幅值。所述方法还包括基于IcUIq和所述多个电流谐波分量控制电机。本发明的实施例可根据应用包括一个或多个其他特征。在一个可能的特征中，当电机的扭矩脉动是电的k阶谐波时，所述多个电流谐波分量包括具有第一幅值的电的k-1阶谐波分量和具有与第一幅值不同的第二幅值的电的k+Ι阶谐波分量，k可以是例如大于I的整数。在其他特征中，所述方法还包括:将所述多个电流谐波分量分别转换成d轴谐波电流Idh和q轴谐波电流Iqh ;基于Id、Idh、Iq和Iqh控制电机。可从电机获得多个反馈电流。所述方法还可包括:将所述多个反馈电流分别转换成d轴反馈电流Id_fdb和q轴反馈电流Iq_fdb ;还基于Id_fdb和Iq_fdb控制电机。在其他特征中，所述方法还包括:从电机获得多个反馈电流；基于所述多个电流谐波分量和所述多个反馈电流来确定多个差电流。还基于所述多个差电流控制电机。可将所述多个差电流分别转换成d轴差电流Id_fdb和q轴差电流Iq_fdb，还可基于Id_fdb和Iq_fdb控制电机。在本发明的另一实施例中，提供了一种用于控制车辆的系统。所述车辆包括永磁(PM)同步电机。所述永磁同步电机被校准成使得针对每个扭矩命令，存在对应的直轴(d轴)电流命令和交轴(q轴)电流命令。所述系统包括控制器，所述控制器被配置为:分别确定与扭矩命令对应的d轴电流命令Id和q轴电流命令Iq ;基于转子位置确定多个电流谐波分量，所述多个电流谐波分量中的至少两个具有不同的幅值；基于Id、Iq和所述多个电流谐波分量控制电机。电机的扭矩脉动是电的k阶谐波，其中，所述多个电流谐波分量包括具有第一幅值的电的k-Ι阶谐波分量和具有与第一幅值不同的第二幅值的电的k+Ι阶谐波分量，k是大于I的整数。所述控制器还被配置为:将所述多个电流谐波分量分别转换成d轴谐波电流Idh和q轴谐波电流Iqh ;基于Id、Idh、Iq和Iqh控制电机。所述控制器还被配置成:从电机获得多个反馈电流；将所述多个反馈电流分别转换成d轴反馈电流Id_fdb和q轴反馈电流Iq_fdb ;还基于Id_fdb和Iq_fdb控制电机。所述控制器还被配置成:从电机获得多个反馈电流；基于所述多个电流谐波分量和所述多个反馈电流来确定多个差电流；还基于所述多个差电流控制电机。所述控制器还被配置成:将所述多个差电流分别转换成d轴差电流Id_fdb和q轴差电流Iq_fdb ;还基于Id_fdb和Iq_fdb控制电机。所述控制器还被配置成:将所述多个电流谐波分量分别转换成d轴谐波电流Idh和q轴谐波电流Iqh ;基于Id、Idh、Iq和Iqh控制电机。所述控制器还被配置成:从电机获得多个反馈电流；基于所述多个电流谐波分量和所述多个反馈电流来确定多个差电流；还基于所述多个差电流控制电机。所述系统可根据应用包括本发明的各个其他特征中的任意一个或多个特征。
图1是功率分流式传动系统的构造的示意性表示；图2是传动系统功率流动示图的框图形式的示意性表示；
图3示出了包括电机控制器和永磁(PM)同步电机的电动机装置；图4示出了在本发明的第一实施例中对包括永磁(PM)同步电机的车辆的控制；图5示出了在本发明的第二实施例中对包括永磁(PM)同步电机的车辆的控制；图6示出了在本发明的实施例中的Id-1q平面中的电流的轨迹。
具体实施例方式如所要求的，在这里公开本发明的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是可以以各种形式和可选择的形式实施的本发明的示例。附图不一定是按比例绘制的；可能夸大或者最小化一些特征，以示出特定组件的细节。因此，在这里公开的具体的结构的和功能的细节不应被解释为限制，而是仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种形式采用本发明的代表性基础。本发明包括电机扭矩脉动补偿的各个方面。从气隙磁通谐波(air-gapfluxharmonics)与定子绕组电流的相互作用产生扭矩脉动。对于给定的电机设计，可通过优化定子绕组电流来最小化扭矩脉动。在本发明的一个实施例中，永磁体内置式电机的主要的扭矩脉动是电的六阶分量，通过将五阶电流谐波和七阶电流谐波注入到定子绕组中可以消除电的六阶分量。本发明的实施例可以实现为各种应用。一个示例是混合动力电动车辆的传动系。混合动力电动车辆的传动系在图1中示出。车辆系统控制器(VSC) 10、电池和电池能量控制模块(BECM) 12以及变速箱14与电动机-发电机子系统一起包括控制器局域网(CAN)。由VSC 10控制的内燃机16通过扭矩输入轴18将扭矩分配到变速箱14。变速箱14包括行星齿轮单元20，行星齿轮单元20包括环形齿轮22、太阳齿轮24、行星齿轮架26。环形齿轮22将扭矩分配到包括啮合的齿轮元件28、30、32、34和36的阶梯比齿轮(step ratio gear)。用于变速箱14的扭矩输出轴38通过差速器和半轴机构(axlemechanism) 42可驱动地连接到车辆的牵引轮40。齿轮30、32和34安装在中间轴上，齿轮32与电机驱动齿轮44啮合。电动机46驱动齿轮44，齿轮44用作用于中间轴齿轮的扭矩输入装置。电池通过电能流动路径48、54将电能传递到电动机。发电机50以如在52处示出的已知方式电连接到电池和电动机46。如本领域技术人员所了解的，图1的功率分流式传动系统可以以各种不同的模式运行。如所示出的，对于动力传动系(driveline)存在两种动力源。第一动力源是发动机和发电机子系统的组合，发动机和发电机利用行星齿轮单元20连接在一起。另一动力源涉及电力驱动系统，所述电力驱动系统包括电动机46、发电机50和电池，其中，电池用作用于发电机50和电动机46的能量储存介质。通常，VSC 10计算为了满足驱动轮动力要求以及所有的附属的负载所需要的总发动机动力，且利用或者不利用实际发动机性能的反馈来独立地安排发动机速度和负载运行点，以满足总的动力要求。这种方法通常用于最大化燃料经济性，并可用于具有这样的VSC的其他类型的传动系统。在图1中示出的功率分流式传动系示图的各个元件之间的能量流动路径在图2中示出。基于驾驶者和其他输入安排加注燃料。发动机16将动力传递到行星齿轮单元20。可获得的发动机制动功率由于附属的负载而减小。通过行星环形齿轮将动力传递到中间轴齿轮30、32、34。从变速箱输出的动力驱动车轮。发电机50在用作电动机时可将动力传递到行星齿轮传动装置。当用作发电机时，发电机50被行星齿轮传动装置驱动。相似地，在电动机46与中间轴齿轮30、32、34之间的动力分配可以沿着任一方向分配。如图1和图2所示，可通过控制发电机50将发动机动力输出分成两个路径。在操作中，系统确定驾驶者对于扭矩的要求并实现所述两种动力源之间的动力的最优分配。图3示出了电机70。电机70包括电机控制器72和永磁(PM)同步电机74。可以根据本发明的实施例控制电机70。本发明的实施例在使用PM同步电机的混合动力电动车辆和电动车辆中是有用的。例如，电动机46或发电机50(图1和图2)可被实现为PM同步电机，电机70可代表电动机46或发电机50。本发明的实施例还用于其他应用，电机70可代表一些其他的电机。通常，在该示例中，电机70通过将扭矩命令提供到控制PM同步电机74的电机控制器72来运行，并且电机70尝试提供所命令的扭矩输出。例如，如本领域技术人员所了解的，电机控制器72可接收诸如可获得的电压和当前电机速度的其他输入。更具体地说，图4示出了控制PM同步电机74的示例性方法。电机被校准，从而针对每个扭矩命令存在对应的直轴(d轴)电流和交轴(q轴)电流，如在d/q电流映射查询表80中所描述的那样。在该不例中，查询表80用于基于被提供到电机控制器的平均扭矩命令以及基于电机速度来确定d轴电流Id和q轴电流Iq。电流幅值计算块82计算电流幅值如下:I mag = yjld X Id + Iq x Iq电流谐波产生块84接收转子位置并产生三相谐波电流，所述三相谐波电流被计算为:Iah= I_mag* (K5cos (5*Theta+Phi5)+K7cos (7*Theta+Phi7))Ibh = I_mag*(K5cos(5*(Theta-120)+Phi5)+K7cos(7*(Theta-120)+Phi7))Ich = I_mag*(K5cos(5*(Theta-240)+Phi5)+K7cos(7*(Theta-240)+Phi7))K5和K7分别是五阶谐波分量的幅值和七阶谐波分量的幅值。Phi5和Phi7分别是五阶谐波分量的相位角和七阶谐波分量的相位角。Theta是转子位置。abc/dq转换块86接收转子位置并以已知的方式将三相谐波电流Iah、Ibh、Ich变换成d/q谐波电流Idh和Iqh。在加法器90中将谐波电流Idh与d轴电流Id求和，以产生d轴电流命令Id_cmd。在加法器92中将谐波电流Iqh与q轴电流Iq求和，以产生q轴电流命令Iq_cmd。通过电流调节器100基于Id_cmd和Iq_cmd来控制PM同步电机74。更具体地说，电流调节器100产生d轴电压命令Vd_cmd和q轴电压命令Vq_cmd。相应地，测量实际的三相反馈电流Ia_fdb、Ib_fdb、Ic_fdb。abc/dq转换块102接收转子位置并以已知的方式将三相反馈电流Ia_fdb、Ib_fdb、Ic_fdb转换成d/q反馈电流Id_fdb和Iq_fdb。电流调节器100接收Id_fdb和Iq_fdb,还基于Id_fdb和Iq_fdb控制电机。图5示出了控制PM同步电机74的第二示例。对于每个扭矩命令，存在对应的直轴(d轴)电流和交轴(q轴)电流，如在d/q电流映射查询表110中所描述的那样。在该示例中，查询表110用于基于被提供到电机控制器的平均扭矩命令以及基于电机速度来确定d轴电流Id和q轴电流Iq。电流幅值计算块112如之前所描述的那样计算电流幅值1_mag ο电流谐波产生块114接收作为五阶谐波分量的幅值的K5和作为七阶谐波分量的幅值的K7、接收作为五阶谐波分量的相位角的Phi5和作为七阶谐波分量的相位角Phi7、并接收转子位置。电流谐波产生块114产生如前面所计算的三相谐波电流Iah、Ibh、Ich。在图5中，在加法器122、124和126中分别从实际的三相反馈电流Ia_fdb、Ib_fdb、Ic_fdb减去三相谐波电流Iah、Ibh、Ich。abc/dq转换块130接收转子位置并以已知的方式将来自加法器122、124和126的输出的三相差电流转换成d/q差电流Id_fdb和Iq_fdb。通过电流调节器120基于Id和Iq以及基于Id_fdb和Iq_fdb来控制PM同步电机74。更具体地说，电流调节器120产生d轴电压命令Vd_cmd和q轴电压命令Vq_cmd。图4和图5是控制PM同步电机74的示例；其他控制技术也是可行的。本发明的实施例允许电流谐波分量具有不同的幅值(例如，K5和K7是不同的值)。在本发明的一方面，基于针对特定的PM同步电机的有限元分析计算，可以获得优化的电流波形来减小电磁扭矩脉动。优化的电流波形不是正弦曲线，并且其主要的谐波是5阶、7阶、11阶、13阶、17阶、19阶、23阶和25阶。当施加优化的电流时，对于斜槽转子和非斜槽转子，扭矩脉动均显著地减小。本发明的实施例具有许多优点。例如，电流谐波注入方法基于永磁体内置式电机的扭矩脉动产生的物理性质。电流谐波注入方法对于扭矩脉动的消除是很有效的。在一个方面，本发明基于与扭矩谐波相对的电流谐波执行扭矩脉动的消除。本发明包括用于产生电流谐波的各种方法，上面的第5阶和7阶谐波的示例适合于特定的应用；其他的应用可涉及其他电流谐波分量，其中，电流谐波分量可具有不同的幅值。图6示出了在本发明的实施例中的Id-1q平面中的电流的轨迹。如所示出的，本发明的实施例允许用于谐波(例如，第5阶和7阶谐波)的不同的幅值。以140示出的电流轨迹可以是任意形状的椭圆、圆、或者线，该电流轨迹有助于减少进行扭矩脉动补偿时可能出现的铜损。换句话说，Id与Iq之间的相移可以是任意值。应当理解，本发明的实施例不限于PM电机，其他应用包括感应式电机、同步电机等。换句话说，本发明的实施例适于各种电动机。此外，应当理解，本发明的实施例不限于基于Id和Iq的电流控制。这是一种控制形式，其他控制形式也是可行的，例如，三相电流反馈控制、α-β (alpha-beta)电流反馈控制、基于任意两个不平行轴上的电流矢量的控制。本发明不限于用五阶电流谐波和七阶电流谐波注入到定子绕组中来消除电的六阶分量。当电机的扭矩脉动是电的k阶谐波时，所述多个电流谐波分量可包括具有第一幅值的电力的k-Ι阶谐波分量和具有与第一幅值不同的第二幅值的电力的k+Ι阶谐波分量，k可以是例如大于I的整数。如本领域技术人员所知，在某些情况下，k可以是大于2的整数。虽然在上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述本发明的所有可行的形式。相反，说明书中使用的词语是描述性的词语，而非限制性的词语，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。另外，可以将各种实现的实施例的特征组合，以形成本发明的进一步的实施例。
权利要求
1.一种用于控制包括电机的车辆的系统，所述系统包括控制器，所述控制器被配置为: 利用包括多个电流谐波分量的电机电流来控制电机，所述多个电流谐波分量中的至少两个具有不同的幅值。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，电机的扭矩脉动是电的k阶谐波，其中，所述多个电流谐波分量包括具有第一幅值的电的k-Ι阶谐波分量和具有与第一幅值不同的第二幅值的电的k+Ι阶谐波分量。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器还被配置为: 从电机获得多个反馈电流； 还基于所述多个反馈电流控制电机。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，控制器还被配置为: 从电机获得多个反馈电流； 还基于所述多个反馈电流控制电机。
5.—种控制包括永磁同步电机的车辆的方法,所述永磁同步电机被校准成使得对于每个扭矩命令，存在对应的d轴电流命令和q轴电流命令,所述方法包括: 生成扭矩命令:` 分别确定与扭矩命令对应的d轴电流命令Id和q轴电流命令Iq ； 基于转子位置确定多个电流谐波分量，所述多个电流谐波分量中的至少两个具有不同的幅值； 基于Id、Iq和所述多个电流谐波分量控制电机。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，电机的扭矩脉动是电的k阶谐波，其中，所述多个电流谐波分量包括具有第一幅值的电的k-Ι阶谐波分量和具有与第一幅值不同的第二幅值的电的k+Ι阶谐波分量。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括: 将所述多个电流谐波分量分别转换成d轴谐波电流Idh和q轴谐波电流Iqh ； 基于Id、Idh、Iq和Iqh控制电机。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括: 从电机获得多个反馈电流； 将所述多个反馈电流分别转换成d轴反馈电流Id_fdb和q轴反馈电流Iq_fdb ； 还基于Id_fdb和Iq_fdb控制电机。
9.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括: 从电机获得多个反馈电流； 基于所述多个电流谐波分量和所述多个反馈电流来确定多个差电流； 还基于所述多个差电流控制电机。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括: 将所述多个差电流分别转换成d轴差电流Id_fdb和q轴差电流Iq_fdb ； 还基于Id_fdb和Iq_fdb控制电机。
11.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括: 将所述多个电流谐波分量分别转换成d轴谐波电流Idh和q轴谐波电流Iqh ；基于Id、Idh、Iq和Iqh控制电机。
12.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括:从电机获得多个反馈电流；基于所述多个电流谐波分量和所述多个反馈电流来确定多个差电流；还基于所述多个 差电流控制电机。
全文摘要
一种用于控制包括电机的车辆的系统，所述系统包括控制器。控制器被配置为利用包括多个电流谐波分量的电机电流来控制电机。所述多个电流谐波分量中的至少两个具有不同的幅值。当电机的扭矩脉动是电的k阶谐波时，所述多个电流谐波分量可包括具有第一幅值的电力的k-1阶谐波分量和具有与第一幅值不同的第二幅值的电力的k+1阶谐波分量。
文档编号H02P21/05GK103107762SQ20121043781
公开日2013年5月15日 申请日期2012年11月6日 优先权日2011年11月10日
发明者约瑟夫·尤青·翔, 张媛, 沙雷斯·斯坎特·柯扎雷卡尔, 迈克尔·W·德格内尔 申请人:福特全球技术公司