本发明涉及一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法，由整车控制单元、电机控制器、逆变开关电路、永磁同步电机、位置传感器和三相电流传感器组成，其特征在于根据主动短路控制指令（ASC_Enable）和电机机械转速判断是否进行主动短路控制，通过主动短路法计算永磁同步电机输出转矩，其不依赖如定子电阻和直交轴电压等电机参数，计算值更加准确；电机控制器再根据整车控制单元发出的转矩命令和转矩在线计算值进行PI调节控制，可提高转矩输出绝对值的准确性，加快了转矩闭环响应时间。
1.一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法，其特征在于由整车控制单元、电机控制器、逆变开关电路、永磁同步电机、位置传感器和三相电流传感器组成；
所述整车控制单元根据整车工作模式，通过CAN总线向电机控制器发出三相短路控制Tpsc和转矩指令Tcmd；
所述电机控制器由CAN指令分解单元，转矩PI调节模块，直交轴电流指令生成单元，直交轴电流PI调节模块，电压解耦控制单元，空间矢量调制单元，位置及转速处理单元，CLARK&PARK变换单元、转矩在线计算模块和转矩限值生成模块组成；电机控制器根据整车控制单元发出的三相短路控制Tpsc和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足Tpsc为1且电机机械转速超过拐点转速，则条件成立，输出主动短路PWM信号到逆变开关电路，控制三相全桥的上桥臂或下桥臂三个IGBT同时闭合；否则，条件不满足，则根据直交轴参考电压和位置信号，计算三相PWM信号占空比，控制IGBT进行开关操作；电机控制器将整车控制单元发出的转矩指令Tcmd和转矩在线计算模块输出的计算值Tonline输入到转矩PI调节模块，使永磁同步电机的输出转矩达到目标值；
所述转矩PI调节模块包括加法模块，抗饱和PI结构单元和限幅器；其中加法模块是对两个输入做差生成Δe；输入到抗饱和PI结构单元，在未出现饱和的情况下，比例项和积分项都起作用，当抗饱和PI结构单元出现饱和的情况下，也就是在eo和out不相等时，抗饱和积分回路有效；抗饱和PI结构单元输出为out，将out和转矩指令Tcmd再次相加，二者之和输入到限幅器，经限幅后输出转矩参考值T*；其中，抗饱和PI结构的解析式如下：eo＝out{out(t)＝Kp·e(t)+Ki∫e(t)}
其中，eo为PI计算输出值，out为经限幅后输出值，Kp为比例系数，Ki为积分系数；e_sat为抗饱和PI结构单元饱和时最大的限幅输出值；e(t)为t时刻的偏差值，out(t)为t时刻的抗饱和PI结构单元输出值；
所述直交轴电流指令生成单元根据转矩参考值T*查表获得直交轴电流指令命令值，在电流转矩特性曲线中最小电流获得最大转矩的点可连成的一条线，这条线就是最大转矩电流比曲线(MTPA，Maximum torque per.Ampere)，该表即是由MTPA曲线上的点组成的，以T*为索引，输出为直交轴电流指令值；
所述直交轴电流PI调节模块根据直轴电流指令命令值id_cmd和交轴电流指令命令值iq_cmd以及CLARK&PARK变换单元输出的直轴电流反馈值idfeedback和交轴电流反馈值iqfeedback，进行PI 运算，获得直交轴电流参考值id*和iq*，直交轴电流PI调节模块与转矩PI调节模块内部结构相同，只是输入不同；
所述电压解耦控制单元根据稳态电压方程进行解耦，输出为直交轴电压参考值ud*和uq*，具体公式如下：ud*＝Rid*-pωLqiq* (2)uq*＝Riq*+pω(Ldid*+ψm) (3)其中，R为定子电阻，p为电机转子极对数，ω为电机机械转速，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，id*为直轴电流参考值，iq*为交轴电流参考值，ud*为直轴电压解耦值，uq*为交轴电压解耦值，ψm为永磁体磁链；
空间矢量调制单元根据整车控制单元发出的三相短路控制Tpsc和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足Tpsc为1且电机机械转速超过拐点转速，则条件成立，输出主动短路PWM信号到逆变开关电路，控制其上桥臂或下桥臂三个IGBT同时闭合；否则，条件不满足，则根据直交轴参考电压和位置信号，计算三相PWM信号占空比，控制IGBT进行开关操作；
所述位置及转速处理单元根据位置传感器输出信号计算转子位置θ和电机机械转速ω；
所述CLARK&PARK变换单元接收电流传感器检测到的三相电流ia、ib、ic和位置及转速处理单元输出的位置信号θ，根据公式(4)、公式(5)和公式(6)换算为旋转坐标系下直、交轴电流id、iq；
其中，iα、iβ为静止坐标系下的α、β轴电流；ia、ib、ic为静止坐标系下的三相交流电流；θ转子位置电角度；id、iq为旋转坐标系下的直、交轴电流；
所述转矩在线计算模块包括交流相电流幅值计算单元、永磁体磁链查表模块、直交轴电感查表单元和转矩计算单元；其中，所述交流相电流幅值计算单元根据公式(7)计算交流相电流幅值，输出给永磁体磁链查表模块；
所述永磁体磁链查表模块用于根据交流相电流幅值查表获得永磁体磁链值；所述直交轴电感查表单元根据直交轴电流查表获得直交轴电感Ld和Lq；所述的转矩计算单元根据永磁同步电机转矩公式(8)进行计算；
转矩公式(8)中，直交轴电流通过CLARK&PARK变换单元计算得到，直交轴电感通过直交轴电感查表单元获得，p为电机转子极对数为常数，永磁体磁链根据公式(2)和(3)测量，在电机三相短路情况下，忽略功率模块的管压降，则直交轴电压为零，则当电机机械转速ω趋近于无穷大时，iq趋近于零，id约等于is，则有，
因此，不同温度下永磁体磁链与定子相电流幅值对应关系可以离线标定，标定完成后存储为表格，表格以定子相电流幅值为索引，输出为永磁体磁链数值，将永磁体磁链数值带入到公式(8)中，即可在线计算永磁同步电机输出转矩；
所述直交轴电感查表单元，直交轴电感是直交轴的电流的函数，通过有限元仿真软件可以得到直轴电感和直交轴的电流的对应关系，交轴电感同理可得；
所述转矩限值生成模块由最大电动数据表，最大发电数据表和数据选择单元组成；根据电机机械转速ω和直流母线电压查最大电动数据表和最大发电数据表，再判断处于电动或者发电状态，由数据选择单元输出最大转矩输出限值Tlimit；
所述逆变开关电路包括六个开关元件，开关元件为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，用于执行电机控制器发出的PWM信号，控制相应的开关元件执行开关动作；
所述永磁同步电机为三相永磁同步电机，是被控对象，接受逆变开关电路的控制；
所述位置传感器为旋转变压器或者绝对位置光电编码器，其用于检测电机转子绝对位置；
所述三相电流传感器为基于霍尔效应的非接触式电流传感器或基于利用串入相线中电阻产生电压原理的接触式电流传感器，其用于检测永磁同步电机的三相电流，并将采集的电流信号输出到CLARK&PARK变换单元；
第一步：电机控制器接收整车控制单元的CAN总线信号并通过CAN指令分解单元生成转矩命令值Tcmd和三相短路控制Tpsc；
第二步：以转矩指令Tcmd、转矩在线计算值Tonline和转矩限值Tlimit为输入，由转矩PI调节控制模块生成转矩参考值T*；
第三步：根据转矩参考值T*查MTPA表获得直交轴电流指令id_cmd和iq_cmd；
第四步：将直轴和交轴电流指令id_cmd和iq_cmd与直轴和交轴电流反馈值idfeedback和iqfeedback输入到直交轴电流PI调节模块，生成直交轴电流指令参考id*和iq*；
第五步：根据永磁同步电机稳态电压方程计算直交轴解耦电压参考值ud*和uq*；
第六步：由空间矢量调制单元判断主动短路信号是否为1；如是，则进入第七步；如否，则进入第十一步；
第七步：由空间矢量调制单元判断电机机械转速是否超过拐点转速；如是，则进入第八步；如否，则进入第十一步；
第九步：根据公式计算相电流幅值is，查表获得永磁体磁链数值；
第十步：根据转矩公式在线计算电机输出转矩Tonline，退出本次控制；
第十一步：根据直交轴电压参考值和位置信号计算PWM信号占空比，输出到逆变开关电路，退出本次控制；以上控制过程为一次控制周期的必要步骤，实际工作过程中，以上步骤循环运行。
一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于电机驱动控制技术领域，具体涉及一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法。
背景技术
[0002] 驱动电机是电动汽车的主要驱动源，对于混合动力车插电式混合动力，电机和发动机共同驱动整车；对于纯电动汽车，电机则是唯一驱动源。永磁同步电机在电动汽车中得到广泛应用，优点是效率高、功率密度和转矩密度大、供应商多、我国稀土资源丰富。电机在整车中多采用转矩控制模式，电机控制模式较多，如转速、转矩、电压、功率，但以转矩控制模式为主。转矩控制方法核心是MTPA(最大转矩电流比)和弱磁控制。当前转矩控制方法有一些问题，一是转矩受温度影响较大，转矩由电磁转矩和磁阻转矩两部分组成，电磁转矩与永磁体磁链成ym大小成正比。高温下电机输出转矩降低，低温下转矩输出增大；二是转子温度测量困难，永磁体磁链和转子温度一一对应，转子温度无法直接测量；内置温度传感器则成本高，布置空间有限；建立温度模型，利用软件估算，该方法依赖于电机本体参数和电机结构，算法复杂，运算量大，一致性不好；三是对整车的影响，主要表现在影响整车转矩分配准确性。高温和低温下起动特性不同。影响制动力分配和制动能量回收效果。因此，永磁同步电机的电磁转矩受温度影响较大，温度越高输出越低，反之越高；永磁体材料对温度的敏感性很大，以钕铁硼材料为例，温升100℃，则电机每极气隙磁通量减少约12.6％，在同样电枢电流情况下，电磁转矩减低12.6％。电磁转矩与转子温度直接相关，但转子温度无法直接测量，转子温度模型算法复杂、一致性不好、精度低。导致电机实际输出转矩受温度影响大。
[0003] 申请号201611002479.8公开了一种《永磁同步电机转矩控制方法》，提供基于驱动转矩需求估算和预测控制，电机转矩预测控制流程是：先将转矩参考值根据电机方程转化为电机定子矢量电流参考值；建立三相逆变器开关状态和输出的矢量电压之间的关系式；估算下一个时域的电流值；最优的开关组合状态作用逆变器驱动电机；转矩控制方法是采集驾驶员踏板信息和车轮转速信息，根据永磁同步电机的机械外特性曲线计算车辆所需驱动力矩值。该方法使用了d轴电流为零控制，只适用于表贴式永磁同步电机，不适用于内嵌式永磁同步电机；另外，在估算下一时域电流值时未考虑电机交直轴电感参数和定子电阻的变化，因此在温度变化后，转矩需求估算和控制的精度变差。
[0004] 申请号200810127261.4公开了《混合动力电动车中控制电机转矩的方法》，提供了一种混合动力电动车中的电机转矩的控制方法，其可通过对混合动力电动车电机的温度变化提供转矩控制补偿逻辑，从而减小电流控制图形成时间并简化控制算法。该方法需要以电机温度为输入条件，而电机温度无法直接测量，影响算法的实现和控制效果。
[0005] 申请号201510404364.0公开了《一种永磁同步电机谐波电流抑制方法及装置》，通过获取待抑制谐波电流的d轴电流偏差和/或q轴电流偏差，采用傅里叶分析方法将待抑制谐波电流信号提取出来，然后进行滤波与叠加，同时，对电机的电角度进行角度补偿，与谐波电流信号一起进行信号重构，得到重复控制器的输出。该方法可以很好地抑制谐波电流的大小，从而达到抑制转矩脉动的目的。
[0006] 申请号201610511750.4公开了《永磁同步电机控制方法和系统》，通过检测电机定子的输出电流，根据该输出电流计算出电机的反馈励磁电流及反馈转矩电流；再计算出电机的给定转矩电流和给定励磁电流；将上述反馈励磁电流、反馈转矩电流、给定转矩电流和给定励磁电流带入电流环后计算出电流环的励磁电压和转矩电压。将该励磁电压和该转矩电压转换为驱动信号作用于电机上，并采样此时电机上的反馈励磁电流和给定转矩电流。将采样的反馈励磁电流和给定转矩电流重复带入上述过程中，并采样出新的反馈励磁电流和给定转矩电流，直至电机的转矩电流和励磁电流达到动态稳定。因此，上述计算过程采用迭代的方式，仅选取MTPA公式中的一部分，即可达MTPA(最优转矩控制)的效果，减少了程序的运算量，并提高了电机相关系统的芯片利用效率。
[0007] 申请号201310260278.8公开了《一种电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法》，该方法首先检测逆变器输出的三相电流、电压和逆变器直流母线电压，经过转矩、磁链和θ计算单元，得到当前状态下的电磁转矩、定子磁链和定子磁链所处扇区θ，速度环采用的是小波多分辨率控制与积分结构复合控制，计算出的磁链和转矩，分别与给定磁链和经复合控制调节器输出给定转矩信号进行比较，输出当前磁链转矩误差状态，并与磁链所在扇区共同决定所要选择的电压矢量，进而确定逆变器的开关状态，控制永磁同步电机运行。
[0008] 综上所述，以上公开的专利从不同角度和方面提出了转矩控制方法，但由于长时间运行导致的转子温度上升，进而导致转矩输出降低的情况未予充分考虑，在实际应用过程则可能引起转矩输出不足或者制动能力降低等问题。
发明内容
[0009] 本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法，其不依赖如定子电阻和直交轴电压等电机参数，计算值更加准确；电机控制器再根据整车控制单元发出的转矩命令和转矩在线计算值进行PI调节控制，可提高转矩输出绝对值的准确性，加快了转矩闭环响应时间。
[0010] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0011] 一种电动汽车用驱动电机转矩闭环控制方法，其特征在于由整车控制单元、电机控制器、逆变开关电路、永磁同步电机、位置传感器和三相电流传感器组成；
[0012] 所述整车控制单元根据整车工作模式，通过CAN总线向电机控制器发出三相短路控制Tpsc和转矩指令Tcmd；
[0013] 所述电机控制器由CAN指令分解单元，转矩PI调节模块，直交轴电流指令生成单元，直交轴电流PI调节模块，电压解耦控制单元，空间矢量调制单元，位置及转速处理单元， CLARK&PARK变换单元、转矩在线计算模块和转矩限值生成模块组成；电机控制器根据整车控制单元发出的三相短路控制Tpsc和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足Tpsc为1且电机机械转速超过拐点转速，则条件成立，输出主动短路PWM信号到逆变开关电路，控制三相全桥的上桥臂或下桥臂三个IGBT同时闭合；否则，条件不满足，则根据直交轴参考电压和位置信号，计算三相PWM信号占空比，控制IGBT进行开关操作；电机控制器将整车控制单元发出的转矩指令Tcmd和转矩在线计算模块输出的计算值Tonline输入到转矩PI调节模块，使永磁同步电机的输出转矩达到目标值。
[0014] 所述转矩PI调节模块包括加法模块，抗饱和PI结构单元和限幅器；其中加法模块是对两个输入做差生成Δe。输入到抗饱和PI结构单元，在未出现饱和的情况下，比例项和积分项都起作用，当抗饱和PI结构单元出现饱和的情况下，也就是在eo和out不相等时，抗饱和积分回路有效。抗饱和PI结构单元输出为out，将out和转矩指令Tcmd再次相加，二者之和输入到限幅器，经限幅后输出转矩参考值T*；其中，抗饱和PI结构的解析式如下：
[0015] eo＝out{out(t)＝Kp·e(t)+Ki∫e(t)}
[0016]
[0017] 其中，eo为PI计算输出值，out为经限幅后输出值，Kp为比例系数，Ki为积分系数；e_sat 为抗饱和PI结构单元饱和时最大的限幅输出值；e(t)为t时刻的偏差值，out(t)为t时刻的抗饱和PI结构单元输出值；
[0018] 所述直交轴电流指令生成单元根据转矩参考值T*查表获得直交轴电流指令命令值，在电流转矩特性曲线中最小电流获得最大转矩的点可连成的一条线，这条线就是最大转矩电流比曲线 (MTPA，Maximum torque per.Ampere)，该表即是由MTPA曲线上的点组成的，以T*为索引，输出为直交轴电流指令值；
[0019] 所述直交轴电流PI调节模块根据直轴电流指令命令值id_cmd和交轴电流指令命令值iq_cmd以及 CLARK&PARK变换单元输出的直轴电流反馈值idfeedback和交轴电流反馈值iqfeedback，进行PI 运算，获得直轴和交轴电流参考值id*和iq*，直交轴电流PI调节模块与转矩PI调节模块内部结构相同，只是输入不同。
[0020] 所述电压解耦控制单元根据稳态电压方程进行解耦，输出为直交轴电压参考值ud*和 uq*，具体公式如下：
[0021] ud*＝Rid*-pωLqiq* (2)
[0022] uq*＝Riq*+pω(Ldid*+ψm) (3)
[0023] 其中，R为定子电阻，p为电机转子极对数，ω为电机机械转速，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，id*为直轴电流参考值，iq*为交轴电流参考值，ud*为直轴电压解耦值，uq*为交轴电压解耦值，ψm为永磁体磁链。
[0024] 空间矢量调制单元根据整车控制单元发出的三相短路控制Tpsc和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足Tpsc为1且电机机械转速超过拐点转速，则条件成立，输出主动短路PWM信号到逆变开关电路，控制其上桥臂或下桥臂三个IGBT同时闭合；否则，条件不满足，则根据直交轴参考电压和位置信号，计算三相PWM信号占空比，控制IGBT 进行开关操作；
[0025] 所述位置及转速处理单元根据位置传感器输出信号计算转子位置θ和电机机械转速ω；
[0026] 所述CLARK&PARK变换单元接收电流传感器检测到的三相交流电流ia、ib、ic和位置及转速处理单元输出的位置信号θ，根据公式(4)、公式(5)和公式(6)换算为旋转坐标系下直轴电流id、交轴电流iq；
[0027] CLARK变换公式如下：
[0028] iα＝ia (4)
[0029]
[0030] PARK变换公式如下：
[0031]
[0032] 其中，iα、iβ为静止坐标系下的α、β轴电流；ia、ib、ic为三相交流电流；θ转子位置电角度；id、iq为旋转坐标系下的直轴电流、交轴电流。
[0033] 所述转矩在线计算模块包括交流相电流幅值计算单元、永磁体磁链查表模块、直交轴电感查表单元和转矩计算单元；其中，所述交流相电流幅值计算单元根据公式(7)计算交流相电流幅值，输出给永磁体磁链查表模块；
[0034]
[0035] 其中，is为定子相电流幅值。
[0036] 所述永磁体磁链查表模块用于根据交流相电流幅值查表获得永磁体磁链值；所述直交轴电感查表单元根据直交轴电流查表获得直轴和交轴电感Ld和Lq；所述的转矩计算单元根据永磁同步电机转矩公式(8)进行计算。
[0037]
[0038] 其中，p为电机转子极对数；Te为电磁转矩；
[0039] 转矩公式(8)中，直交轴电流通过CLARK&PARK变换单元计算得到，直轴和交轴电感通过直交轴电感查表单元获得，p为电机转子极对数为常数，永磁体磁链根据公式(2)和(3) 测量，在电机三相短路情况下，忽略功率模块的管压降，则直交轴电压为零，则
[0040]
[0041] 当电机机械转速ω趋近于无穷大时，iq趋近于零，id约等于is，则有，
[0042] ψm≈-Ldis (10)
[0043] 因此，不同温度下永磁体磁链与定子相电流幅值对应关系可以离线标定，标定完成后存储为表格，表格以定子相电流幅值为索引，输出为永磁体磁链数值，将永磁体磁链数值带入到公式(8)中，即可在线计算永磁同步电机输出转矩。所述直交轴电感查表单元，直交轴电感是直交轴的电流的函数，通过有限元仿真软件可以得到直轴电感和直交轴的电流的对应关系，交轴电感同理可得；
[0044] 所述转矩限值生成模块由最大电动数据表，最大发电数据表和数据选择单元组成；根据电机机械转速ω和直流母线电压查最大电动数据表和最大发电数据表，再判断处于电动或者发电状态，由数据选择单元输出最大转矩输出限值Tlimit；
[0045] 所述逆变开关电路包括六个开关元件，开关元件为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，用于执行电机控制器发出的PWM信号，控制相应的开关元件执行开关动作；
[0046] 所述永磁同步电机为三相永磁同步电机，是被控对象，接受逆变开关电路的控制；
[0047] 所述位置传感器为旋转变压器或者绝对位置光电编码器，其用于检测电机转子绝对位置；
[0048] 所述三相电流传感器为基于霍尔效应的非接触式电流传感器或基于利用串入相线中电阻产生电压原理的接触式电流传感器，其用于检测永磁同步电机的三相电流，并将采集的电流信号输出到CLARK&PARK变换单元；
[0049] 本方法的实现步骤如下:
[0050] 第一步：电机控制器接收整车控制单元的CAN总线信号并通过CAN指令分解单元生成转矩命令值Tcmd和三相短路控制Tpsc；
[0051] 第二步：以转矩指令Tcmd、转矩在线计算值Tonline和转矩限值Tlimit为输入，由转矩PI调节控制模块生成转矩参考值T*；
[0052] 第三步：根据转矩参考值T*查MTPA表获得直交轴电流指令id_cmd和iq_cmd；
[0053] 第四步：将直轴和交轴电流指令id_cmd、iq_cmd与直轴和交轴电流反馈值idfeedback、iqfeedback输入到直交轴电流PI调节模块，生成直交轴电流指令参考id*和iq*；
[0054] 第五步：根据永磁同步电机稳态电压方程计算直交轴解耦电压参考值ud*和uq*；
[0055] 第六步：由空间矢量调制单元判断主动短路信号是否为1；如是，则进入第七步；如否，则进入第十一步；
[0056] 第七步：由空间矢量调制单元判断电机机械转速是否超过拐点转速；如是，则进入第八步；如否，则进入第十一步；
[0057] 第八步：输出三相短路控制信号到逆变开关电路；
[0058] 第九步：根据公式计算相电流幅值is，查表获得永磁体磁链数值；
[0059] 第十步：根据转矩公式在线计算电机输出转矩Tonline，退出本次控制；
[0060] 第十一步：根据直交轴电压参考值和位置信号计算PWM信号占空比，输出到逆变开关电路，退出本次控制；以上控制过程为一次控制周期的必要步骤，实际工作过程中，以上步骤循环运行。
[0061] 与现有技术相比，本发明的积极效果为：
[0062] 1、本发明引入了转矩命令和转矩在线计算值的PI调节模块，有助于转矩输出绝对值的准确性，同时加快了转矩响应时间。永磁同步电机输出转矩在线计算环节不依赖如定子电阻和直交轴电压等电机参数，计算值更加准确，有利于转矩控制快速闭环。由于电机外特性受直流母线电压和转速影响，直流母线电压越高，电机最大转矩输出的拐点转速越高，反之，越低，因此在PI调节控制模块中加入了转矩限值模块，该模块根据直流母线电压和转速查表获得的转矩限值符合电机本身的工作特性；
[0063] 2、主动短路指令由整车控制单元发出，而不是电机控制器自己进行主动短路，这种控制模式有利于整车转矩监控和功能安全，否则，电机自行进行主动短路控制会产生很大的指令力矩，可造成车辆的不期望的减速；
[0064] 3、整车控制单元可以根据电机当前的工作模式发送主动短路指令，如电机空载、不需要电机助力或者发电工况。在主动短路过程中，电机控制单元实时反馈短路力矩避免产生不期望的加减速或者其他零部件损坏；也可以将短路力矩曲线存储在整车控制单元中，整车控制单元可以直接查表或者做前馈控制。
[0065] 4、为了避免永磁体磁链测量的不连续性，整车控制可以采取定时向电机发送主动短路指令的方法来解决；也可以在电机控制单元中存储多次测量数据，通过插值运算来估算永磁体磁链。
[0066] 5、该方法不需要额外硬件电路和PWM信号重构软件算法，只需实施主动短路控制，与永磁同步电机控制兼容。
附图说明
[0067] 图1为本发明永磁同步电机输出转矩控制方法原理框图。
[0068] 图2为本发明永磁同步电机输出转矩控制流程图。
[0069] 图3为本发明最大转矩电流比(MTPA)曲线图。
[0070] 图4为本发明转矩PI调节模块原理框图。
[0071] 图5为本发明转矩在线计算原理框图。
[0072] 图6为本发明转矩限值生成模块原理框图。
[0073] 图7为本发明直轴电感与直交轴电流参数关系图。
[0074] 图8为本发明交轴电感与直交轴电流参数关系图。
[0075] 图9为本发明三相短路电流、短路转矩与转速的关系曲线。
[0076] 图中，1.整车控制单元 2.电机控制器 3.逆变开关电路 4.永磁同步电机 5.位置传感器 6.三相电流传感器 21.CAN指令分解单元 22.转矩PI调节模块 23.直交轴电流指令生成单元 24.直交轴电流PI调节模块 25.电压解耦控制单元 26.空间矢量调制单元 27.位置及转速处理单元 28.CLARK&PARK变换单元 29.转矩在线计算模块 30.转矩限值生成模块221.加法模块 222.抗饱和PI结构单元 223.限幅器 291.交流相电流幅值计算单元
292.永磁体磁链查表模块 293.直交轴电感查表单元 294.转矩计算单元 301.最大电动数据表 302.最大发电数据表 303.数据选择单元
具体实施方式
[0077] 下面结合附图描述本发明的实施例，但本发明并不局限于此。
[0078] 如图1所示，所述整车控制单元1通过CAN总线向电机控制器2发出转矩指令Tcmd和三相短路控制Tpsc；
[0079] 所述电机控制器2由CAN指令分解单元21，转矩PI调节模块22，直交轴电流指令生成单元 23，直交轴电流PI调节模块24，电压解耦控制单元25，空间矢量调制单元26，位置及转速处理单元27，CLARK&PARK变换单元28、转矩在线计算模块29和转矩限值生成模块30组成；电机控制器2根据整车控制单元1发出的三相短路控制Tpsc和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足Tpsc为1且电机机械转速超过拐点转速，则条件成立，输出主动短路PWM信号到逆变开关电路3，控制其上桥臂或下桥臂三个IGBT同时闭合；否则，条件不满足，则根据直交轴参考电压和位置信号，计算三相PWM信号占空比，控制IGBT进行开关操作；电机控制器2根据整车控制单元1发出的转矩指令Tcmd和转矩在线计算模块29 输出的计算值Tonline进行PI控制，使永磁同步电机4的输出转矩达到目标值。
[0080] 如图4所示，所述转矩PI调节模块22包括加法模块221，抗饱和PI结构单元222和限幅器223；其中加法模块221是对转矩指令和转矩在线计算值做差生成Δe，输入到抗饱和 PI结构单元222，在未出现饱和的情况下，该PI结构的比例项和积分项都起作用，当PI输出出现饱和的情况下，也就是在eo和out不相等时，抗饱和积分回路有效。抗饱和PI结构单元222输出为out，将out和转矩指令再次相加，二者之和输入到限幅器223，经限幅后输出转矩参考值T*；其中，抗饱和PI结构的解析式见公式(1)。
[0081] 如图3所示，曲线横坐标为电流相角，纵坐标为电机输出转矩，首先固定电流幅值，电流相角从40°到320°遍历，会形成一条电流相角与电机输出转矩曲线，然后在增加电流幅值重复试验直到最大电流，这样就会获得一族曲线，每条曲线的顶点连成一条线，即为最大转矩电流比曲线(MTPA，Maximum torque per.Ampere)，将每个点对应的转矩和直交轴电流*做成表格，即为最大转矩电流比表格，该表以转矩参考值T为索引，查表所得值为直交轴电流指令命令值id*和iq*；所述直交轴电流指令生成单元23根据转矩参考值T*查表获得直交轴电流指令命令值；本图仅为示意图，对于不同功率、转矩和不同类型的电机需重新标定。
[0082] 所述直交轴电流PI调节模块24根据直交轴电流指令命令值id_cmd和iq_cmd以及 CLARK&PARK变换单元28输出的直轴电流反馈值idfeedback和交轴电流反馈值iqfeedback，进行 PI运算，获得直交轴电流参考值id*和iq*，PI结构与转矩PI调节模块的相同；
[0083] 所述电压解耦控制单元25根据稳态电压方程(2)和(3)进行解耦，输出为直交轴电压参考值ud*和uq*。
[0084] 空间矢量调制单元26根据整车控制单元1发出的三相短路控制Tpsc和电机机械转速ω判断是否进行主动短路控制，同时满足Tpsc为1且电机机械转速超过拐点转速，则条件成立，输出主动短路PWM信号到逆变开关电路3，控制其上桥臂或下桥臂三个IGBT同时闭合；否则，条件不满足，则根据直交轴参考电压和位置信号，计算三相PWM信号占空比，控制IGBT 进行开关操作；
[0085] 所述位置及转速处理单元27根据位置传感器5输出信号计算转子位置θ和电机机械转速ω；所述CLARK&PARK变换单元28接收电流传感器6检测到的三相电流ia、ib、ic和位置及转速处理单元27输出的位置信号θ，根据公式(4)、公式(5)和公式(6)换算为旋转坐标系下直轴电流id和交轴电流iq；
[0086] 如图5所示，所述转矩在线计算模块29包括交流相电流幅值计算单元291、永磁体磁链查表模块292、直交轴电感查表单元293和转矩计算单元294；其中，所述交流相电流幅值计算单元291根据公式(7)计算交流相电流幅值，输出给永磁体磁链查表模块292；
[0087] 所述永磁体磁链查表模块292用于根据交流相电流幅值查表获得永磁体磁链值；所述直交轴电感查表单元293根据直轴和交轴电流查表获得直轴和交轴电感Ld和Lq；所述的转矩计算单元294根据永磁同步电机转矩公式(8)进行计算。
[0088] 转矩公式(8)中，直轴和交轴电流可以通过CLARK&PARK变换单元28计算得到，直轴和交轴电感通过直交轴电感查表单元293获得，p为电机转子极对数为常数，永磁体磁链根据永磁同步电机稳态方程(2)和(3)进行测量，在三相短路情况下测量永磁同步电机的交流相电流幅值，通过查表即可获得永磁体磁链数值；
[0089] 通过试验标定出不同温度下永磁体磁链与定子相电流幅值的一一对应关系，在实车应用中查表获得永磁体磁链数值，带入到公式(8)中即可在线计算永磁同步电机输出转矩。所述直交轴电感查表单元293，直轴和交轴电感是直轴和交轴的电流的函数，通过有限元仿真软件可以得到直轴电感和直轴和交轴的电流的对应关系，交轴电感同理可得；
[0090] 如图6所示，所述转矩限值生成模块30由最大电动数据表301，最大发电数据表302和数据选择单元303组成；根据电机机械转速ω和直流母线电压查最大电动数据表301和最大发电数据表302，再判断处于电动或者发电状态，由数据选择单元303输出最大转矩输出限值Tlimit；所述逆变开关电路3包括六个开关元件，每个开关元件Q1到Q6都是绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，在逆变器电路中，第一开关元件Q1、第三开关元件Q3和第五开关元件Q5分别与第二开关元件Q2、第四开关元件Q4和第六开关元件Q6串联相连，开关元件Q1与Q2之间的节点与电动机的U相端子相连；开关元件Q3与Q4之间的节点与电动机的V相端子相连；开关元件Q5与Q6之间的节点与电动机的W相端子相连；逆变开关电路3根据电机控制器2 的PWM信号指令驱动内部的功率电子器件进行三相下桥臂Q2，Q4和Q6的闭合或者断开动作，或者进行三相上桥臂Q1，Q3和Q5的闭合或者断开动作，用以实现电机三相线的短路或者断开操作；
[0091] 所述永磁同步电机4为三相永磁同步电机，是被控对象，接受逆变开关电路3的控制；
[0092] 所述位置传感器5为旋转变压器或者绝对位置光电编码器，其用于检测电机转子绝对位置；所述三相电流传感器6为基于霍尔效应的非接触式电流传感器或基于利用串入相线中电阻产生电压原理的接触式电流传感器，其用于检测永磁同步电机4的三相电流，并将采集的电流信号输出到CLARK&PARK变换单元28；
[0093] 如图2所示，本方法的实现步骤如下:
[0094] 第一步：电机控制器2接收整车控制单元1的CAN总线信号并通过CAN指令分解单元21 生成转矩命令值Tcmd和三相短路控制Tpsc；
[0095] 第二步：以转矩指令Tcmd、转矩在线计算值Tonline和转矩限值Tlimit为输入，由转矩PI调节控制模块22生成转矩参考值T*；
[0096] 第三步：根据转矩参考值T*查MTPA表获得直轴和交轴电流指令id_cmd和iq_cmd；
[0097] 第四步：将直轴和交轴电流指令id_cmd和iq_cmd与直轴和交轴电流反馈值idfeedback和iqfeedback输入到直交轴电流PI调节模块24，生成直交轴电流指令参考id*和iq*；
[0098] 第五步：根据永磁同步电机稳态电压方程计算直交轴解耦电压参考值ud*和uq*；
[0099] 第六步：由空间矢量调制单元26判断主动短路信号是否为1；如是，则进入第七步；如否，则进入第十一步；
[0100] 第七步：由空间矢量调制单元26判断电机机械转速是否超过拐点转速；如是，则进入第八步；如否，则进入第十一步；
[0101] 第八步：输出三相短路控制信号到逆变开关电路3；
[0102] 第九步：根据公式计算相电流幅值is，查表获得永磁体磁链数值；
[0103] 第十步：根据转矩公式在线计算电机输出转矩Tonline，退出本次控制；
[0104] 第十一步：根据直交轴电压参考值和位置信号计算PWM信号占空比，输出到逆变开关电路3，退出本次控制。
[0105] 以上控制过程为一次控制周期的必要步骤，实际工作过程中，以上步骤循环运行。
[0106] 第九步中，所述永磁体磁链表格为试验法获得，每个转子温度对应一个永磁体磁链数值，在不同转子温度下，对永磁同步电机进行不同转速下稳态短路试验而获得短路电流幅值与永磁体磁链的关系。
[0107] 步骤第九步中，所述永磁体磁链表格也可为仿真法获得，是根据永磁同步电机有限元仿真模型获得不同转子温度和转速下，短路电流幅值与永磁体磁链的关系表。
[0108] 如图7所示，为本实施例的直轴电感与直交轴电流曲线图，x轴为直轴电流，y轴为交轴电流，z轴为直轴电感。由图可以看出直轴电感Ld是直轴电流和交轴电流的函数，以直轴和交轴电流为索引查表运算即可获得直轴电感Ld数值。
[0109] 如图8所示，为本实施例的交轴电感与直交轴电流曲线图，x轴为直轴电流，y轴为交轴电流，z轴为交轴电感。由图可以看出交轴电感Lq是直轴电流和交轴电流的函数，以直轴和交轴电流为索引查表运算即可获得交轴电感Lq数值。
[0110] 如图9所示，为本实施例三相短路电流、短路转矩与转速的关系曲线，横轴为电机机械转速，纵轴为三相短路电流和短路转矩。永磁同步电机的三相短路电流在低转速段与随着转速增加而迅速上升，当转速超过拐点转速ωg后，其电流有效值基本不变，影响短路电流幅值的因素主要是永磁体磁链大小，与永磁体磁链数值成正比，与永磁体温度成反比。图中标出了-35℃，60℃和150℃三种转子永磁体温度下，三相短路电流与电机机械转速的对应关系，三种不同温度即对应三种永磁体磁链数值，可以注意到，在最低温度-35℃和最高温度150℃情况下，短路电流有效值相差达65A，利用该特点可以有效检测永磁体磁链数值；在超过拐点转速后，同一电机转速与-35℃，60℃和150℃曲线的交点对应3个相电流幅值，每个相电流对应一个永磁体磁链数据，类似的，可以形成一个以相电流幅值为索引的永磁体磁链表格；在实际使用中并不限于使用3条曲线，曲线数量根据温度范围进行设定。永磁同步电机的三相短路转矩为与电机机械转速相反的阻力矩，因此，电机正向旋转的情况下其短路转矩为负值；随着转速升高，其短路转矩绝对值先增加后减小，超过拐点转速ωg后，逐渐趋于零，类似的，可以形成一个以相电流幅值为索引的永磁体磁链表格；在实际使用中并不限于使用3 条曲线，曲线数量根据温度范围进行设定。
[0111] 以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。
