用于分布式轮边/轮毂电机的带速启动控制方法及系统

本发明属于电动汽车，具体涉及用于分布式轮边/轮毂电机的带速启动控制方法及系统。

背景技术：

1、分布式轮边电机或轮毂电机驱动形式为轻型电动汽车未来的发展方向。分布直驱形式将车辆的动力、传动和制动三套部件集合于一体，不仅可简化较复杂的机械传动结构，还可降低整车质量，使电机驱动力直接传输给对应车轮，传动效率更高。当车辆低速重载运行时，电机运转产生的热量较难耗散，可能引发电机过热保护；另一方面，因车轮与轮毂电机刚性相连，车辆驶过颠簸路面时产生的大幅振动也可能影响轮速传感器的正常运行，从而引发电机控制器过流保护。当某一驱动轮的驱动电机或控制器发生过热保护或者过流保护时，系统通常会从动力链中切除该故障电机，依靠其余驱动轮来提供目标驱动力。随着车辆的继续行驶，电机逐渐风冷冷却退出保护状态，以及路面恢复平整后轮速传感器的自恢复，故障的驱动轮可在有速度的状态下重新上电启动，但该过程容易造成电机的瞬时转矩冲击和转速突变，从而引发行驶安全问题。

2、现有的永磁电机带速启动技术方案分为依赖轮速传感器和不依赖轮速传感器两类。当轮速传感器可用时，可依靠速度/位置信号实现上电瞬间的电流控制和速度控制，而当轮速传感器处于非正常工作状态时，则需要通过无位置传感器算法实现电流和速度的控制。

3、无位置传感器观测法主要分为高频信号注入法和反电势模型法，其中，如专利公开号为cn113078866a的专利文献描述的基于控制电源供电高频注入ipmsm带速重投控制方法，通过求解电流响应估算出上电时刻的电机转速和位置，其在低速时有较好的信号辨识性能，但在高速时因高频信号解析需要的观测器带宽有限，并且逆变器的输出电压上限可能限制注入电压脉冲的幅度，因而限制了其在高转速情况下的辨识精度和控制性能。另外，专利公开号为cn109379007a和cn114362620a的专利文献，公开了两种基于反电势观测的无位置传感器估测方法，用于对独立的单台电机实施带速重启控制。其中，专利公开号为cn109379007a的专利文献，通过冗余电压传感器采集电机端电压信号来获取电机转子初始位置和初始速度信息，之后使用龙伯格观测器估测电机转子位置和速度，实现从初始值到观测值的平滑切换，但冗余的电压传感器增加了系统成本；而专利公开号为cn114362620a的专利文献，则通过注入短路测试脉冲的方法获取上电时刻的电机转子初始位置和速度，并采用转速/电流双闭环控制实现上电重启。上述两种带速启动方案均可在高转速区间有效实施，但在低转速区间需要依赖其它方法，因此，针对单电机的单一带速重启方法在全转速区间不通用，需要结合多种控制方法。

4、基于上述问题，设计一种适用于非停车条件下的，无需依赖额外的电压传感器和速度传感器信号，仅需从固有的电机相线端电流传感器中获取信号，即可实现带速状态下的可靠上电运行的用于分布式轮边/轮毂电机的带速启动控制方法及系统，就显得十分重要。

技术实现思路

1、本发明是为了克服现有技术中，车辆行驶时多轮驱动系统突发非破坏性故障并引起驱动电机停机保护，在故障消失后电机无法重新提供驱动力，从而影响车辆整体驱动性能的问题，提供了一种适用于非停车条件下的，无需依赖额外的电压传感器和速度传感器信号，仅需从固有的电机相线端电流传感器中获取信号，即可实现带速状态下的可靠上电运行的用于分布式轮边/轮毂电机的带速启动控制方法及系统。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、用于分布式轮边/轮毂电机的带速启动控制方法，包括至少两组独立的驱动单元，每组驱动单元均包括轮边永磁电机或轮毂永磁电机、轮速传感器、电流传感器、信号采集电路、主控制器和功率逆变电路；所述轮速传感器与驱动单元同轴连接或通过齿轮啮合连接；所述电流传感器位于功率逆变电路的电机三相线输出侧；所述信号采集电路分别与轮速传感器和电流传感器电连接；所述主控制器分别与信号采集电路和功率逆变电路电连接；包括如下步骤；

4、s1，轮边/轮毂电机带速掉电滑行阶段：

5、设定在所述轮边/轮毂电机带速掉电滑行阶段中，电机因瞬时过流、过热或轮速传感器信号失稳而触发保护机制，驱动电路关闭使电机掉电，车轮由驱动轮拖曳滑行，且电机电流为0，电机转速信号不可用，电机处于电失控状态；

6、s2，轮边/轮毂电机带速启动预备阶段：

7、其中，所述轮边/轮毂电机带速启动预备阶段采用恒流频比i-f控制方法，设定主控制器电流环控制程序中的d轴、q轴电流初始期望值均为零，即作为i-f控制的电流指令，同时获取驱动轮的电机转速信号，取驱动轮的电角速度的平均值为作为i-f控制方法的频率指令；设定电流相位角度θr0＝0，作为i-f控制方法的初始相位；同时设定主控制器速度环控制程序中的电机初始转速为

8、s3，轮边/轮毂电机带速启动电流跟踪阶段：

9、在所述轮边/轮毂电机带速启动电流跟踪阶段中，主控制器开启功率逆变电路的pwm控制信号，实施旋转频率为的i-f控制策略，使用比例-积分-谐振闭环控制，实现电机d轴、q轴电流的快速跟踪与冲击抑制，并由电机矢量控制模型观测得到指令电压和由功率逆变电路向电机输出指令电压并进一步产生电流；

10、s4，轮边/轮毂电机带速启动速度跟踪阶段：

11、待步骤s3中电流的快速跟踪过程稳定后，通过无位置传感器估测算法获取当前电机的转速和转子角度，将电机转速估测值作为速度闭环的反馈值，将转子角度估测值作为dq坐标系的旋转角度，将相电流测量值代入dq坐标变换，计算得到电流闭环的反馈值，再将控制模式从速度开环、电流闭环的i-f控制快速切换到速度电流双闭环，实现速度跟踪；

12、s5，轮边/轮毂电机带速启动稳定运行阶段：

13、将已正常运行的电机重新投入车辆动力链，主控制器接收来自车辆总控制器的扭矩分配信号和转速信号，实施车辆的多轮协同控制；同时，主控制器实时检测电机驱动系统的瞬时过流、过热或轮速传感器信号失稳的非破坏性故障，若故障再次发生，则重复步骤s1至步骤s5。

14、作为优选，步骤s2和步骤s3中i-f控制的电流期望信号if均表示为

15、

16、为dq坐标系下q轴的电流期望值，t为时间。

17、作为优选，步骤s3所述比例-积分-谐振闭环控制的传递函数为

18、

19、其中kp、ki、kr分别为比例系数、积分系数和谐振系数；ωc、ωd分别为谐振角频率、谐振带宽，s为拉普拉斯变换中的复频率；设置电流闭环控制中的比例-积分-谐振环节的谐振控制频率于处，用于提升交流电流量和交流电压量的相位跟踪效果，减少起动过程中因电机旋转反电势与功率逆变电路初始电压相位不匹配而产生的过流；在带速启动的过程中，设置比例积分控制参数kp、ki，用于抑制冲击电流的幅值，设置谐振控制环节系数kr、ωc、ωd，用于减少交流电流的相位跟踪偏差，需根据车轮转速变化实时更新谐振环节的谐振频率点ωc，用于改善电流控制器的动态跟踪性能。

20、作为优选，在步骤s4的过程中，电机电流的交流频率随电机转速和车速同步变化，由无位置传感器估测算法估测得到电机的电角速度并令谐振环节的谐振频率点和谐振带宽分别为

21、

22、用于减小电流跟踪的幅值误差和相位误差，实现正弦交流电流量的最优跟踪；其中为角速度估测值的波动振幅；

23、根据公式(2)和(3)，得到改进后的准谐振环节传递函数为：

24、

25、作为优选，所述无位置传感器估测算法包含转子位置和角速度的估测计算，具体表示为：

26、

27、

28、

29、其中，ψα、ψβ、uα、uβ、iα、iβ分别为α-β坐标系下的电机磁链、电压和电流，rs、ls分别为电机定子电阻和电感，lpf为低通滤波器。

30、本发明还提供了用于分布式轮边/轮毂电机的带速启动控制系统，包括：

31、轮边/轮毂电机带速掉电滑行模块，用于设定在轮边/轮毂电机带速掉电滑行阶段中，电机因瞬时过流、过热或轮速传感器信号失稳而触发保护机制，驱动电路关闭使电机掉电，车轮由驱动轮拖曳滑行；

32、轮边/轮毂电机带速启动预备模块，用于采用恒流频比i-f控制方法，设定主控制器电流环控制程序中的d轴、q轴电流初始期望值均为零，即作为i-f控制的电流指令，同时获取驱动轮的电机转速信号，取驱动轮的电角速度的平均值为作为i-f控制方法的频率指令；设定电流相位角度θr0＝0，作为i-f控制方法的初始相位；同时设定主控制器速度环控制程序中的电机初始转速为

33、轮边/轮毂电机带速启动电流跟踪模块，用于在轮边/轮毂电机带速启动电流跟踪阶段中，使主控制器开启功率逆变电路的pwm控制信号，实施旋转频率为的i-f控制策略，使用比例-积分-谐振闭环控制，实现电机d轴、q轴电流的快速跟踪与冲击抑制，并由电机矢量控制模型观测得到指令电压和由功率逆变电路向电机输出指令电压并进一步产生电流；

34、轮边/轮毂电机带速启动速度跟踪模块，用于待电流的快速跟踪过程稳定后，通过无位置传感器估测算法获取当前电机的转速和转子角度，将电机转速估测值作为速度闭环的反馈值，将转子角度估测值作为dq坐标系的旋转角度，将相电流测量值代入dq坐标变换，计算得到电流闭环的反馈值，再将控制模式从速度开环、电流闭环的i-f控制快速切换到速度电流双闭环，实现速度跟踪；

35、轮边/轮毂电机带速启动稳定运行模块，用于将已正常运行的电机重新投入车辆动力链，主控制器接收来自车辆总控制器的扭矩分配信号和转速信号，实施车辆的多轮协同控制；同时，主控制器实时检测电机驱动系统的瞬时过流、过热或轮速传感器信号失稳的非破坏性故障。

36、作为优选，在轮边/轮毂电机带速掉电滑行模块中，电机的具体状态为：电机电流为0，电机转速信号不可用，电机处于电失控状态。

37、本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明提出一种无需电压传感器和位置传感器的轮毂电机驱动系统带速重投启动方法，旨在实现车辆行驶过程中电机驱动控制器的安全上电，而无需停车重启；(2)本发明方案针对分布式电动车辆多轮驱动系统具有冗余的结构特点，借助冗余车轮的轮速传感器信号获取电机初始转速信号，并采用比例-积分-谐振(pir)控制器实现交流电流和交流电压的稳定跟踪，实现全速域的上电重投启动；pir控制器具有针对特定频率信号静差的跟踪抑制特性，可有效抑制上电启动初始阶段的电机电流冲击，提升电流环的动态跟踪性能，使得从动力链切除的轮毂电机在不同速度下均能可靠平滑的投入动力链；(3)本发明无需依赖额外的电压传感器和速度传感器信号，仅需从固有的电机相线端电流传感器中获取信号，即可实现带速状态下的可靠上电运行，特别适用于轮速传感器故障引发。