一种基于电机旋变电角度在线计算发动机角度位置的方法

摘要

本发明提出一种基于电机旋变电角度在线计算发动机角度位置的方法，涉及发动机、电机或混合动力系统的电子控制领域。该方法通过建立发动机曲轴机械角度与电机电角度之间的关系，在每个电机控制器控制周期到来时，通过计数器跳变算法计算发动机的机械角度。本发明能够同时满足发动机和电机高频联合控制的需求，降低混合动力系统的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机、电机或混合动力系统的电子控制领域，特别涉及一种基于电机旋变电角度在线计算发动机角度位置的方法。

背景技术

传统的混合动力系统在发动机和电机之间安装飞轮、扭转减振器和离合器来实现在传递扭矩的同时减小轴系的振动。近年来，提出了让电机的转子取代发动机飞轮，电机转子与曲轴后端刚性连接的方案。该方案取消了扭转减振器和离合器，使系统结构更紧凑，成本更低。

但是，在发动机-飞轮电机的方案或者其它包含发动机和电机刚性连接结构的混合动力系统中，发动机和电机仍用两个传感器分别确定各自的角度位置。电机通过旋变转子和旋变线圈确定电机的电角度位置。电控发动机通过安装在曲轴前端的磁电式或霍尔式的曲轴角度位置传感器确定曲轴的机械角度位置。曲轴角度位置传感器包含随曲轴旋转的齿盘和固定在发动机机身上的探头。齿盘通过连齿或缺齿确定上止点位置，通过齿数确定与连/缺齿的角度差。

然而，发动机和电机各采用一个传感器是冗余的，会增加系统的成本、复杂度，降低可靠性。并且，现有的汽车控制架构中，整车控制器基于CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)通讯实现对发动机和电机的协同控制。因此，电机对发动机的响应速度受到CAN通讯延迟的限制。

不仅如此，对于独立的电机控制器和发动机控制器，如果直接依靠CAN总线通讯将发动机的角度位置发送到电机控制器，同样会存在延迟。该延迟在高频控制场景下会带来很大的误差，难以实现电机对发动机在高频域上的响应。另外，在未来的混合动力系统中，为了满足发动机和电机高频协调控制的要求，发动机和电机控制器是集成的。因此，需要提出一种能够同时满足电机和发动机控制需求在线计算角度位置的方法。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于电机旋变电角度在线计算发动机角度位置的方法。本发明能够降低混合动力系统的成本，满足电机和发动机高频联合控制的需求。

本发明提出一种基于电机旋变电角度在线计算发动机角度位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立曲轴的机械角度与电角度之间的关系，表达式如下：

式中，MechAng为机械角度，ElecAng为电角度，k为由电机旋变计算出的电角度ElecAng所占用的字长，Counter为计数器，Step_MechAngle为机械角度步长，表达式如下：

Step_MechAngle＝360/p

式中，若发动机和电机同轴，则p为电机的极对数；若发动机和电机不同轴，则用电机/发动机机械转速速比Rit_trans乘以电机的极对数p代替上式中的p，即p→Rit_trans×p；

2)计算控制周期电角度；

定义发动机曲轴的机械转速为n，单位为rpm；电机的电转速为n_elec，单位为rpm；MCU的控制周期为Ctrl_cyc，单位为μs；

则电机的电转速为：

n_elec＝np (3)

电转速n_elec每转所需要的时间为单位为ms；电转速n_elec每转所包含的控制周期的个数为则每个控制周期Ctrl_cyc对应的电角度ElecAng定义为Δ，称作控制周期电角度，则有：

3)利用计数器Counter的跳变算法，计算发动机角度位置；具体步骤如下：

3-1)对上个控制周期和当前控制周期的电角度进行判定：

若有ElecAng(i-1)≥2^k-Rit×Δ，并且ElecAng(i)≤Rit×Δ，则计数器加1，即Counter＝Counter+1；

若有ElecAng(i-1)≤Rit×Δ，并且ElecAng(i)≥2^k-Rit×Δ，则计数器减1，即Counter＝Counter-1；

其中，i代表电机控制器MCU当前控制周期次数；控制周期电角度Δ的系数Rit同时满足如下条件：

Rit＞1 (6)

3-2)计算当前控制周期的初始机械角度MechAng_init(i)；

3-3)校验当前控制周期的初始机械角度MechAng_init(i)是否发生跳变，并根据校验结果更新计数器Counter的值；

若则当前控制周期的初始机械角度没有发生跳变，计数器保持不变；否则，若存在则当前控制周期的初始机械角度发生跳变，计数器减1，即Counter＝Counter-1；若则当前控制周期的初始机械角度发生跳变，计数器加1，即Counter＝Counter+1；

其中，α为机械角度步长Step_MechAngle的系数，满足如下条件：

3-4)对经过步骤3-3)校验后计数器Counter的值进行修正；

如果则有如果Counter＜0，则有若以上两个不等式均不满足，则计数器Counter取值保持不变；其中，s为发动机的冲程数；

3-5)利用步骤3-4)修正后的计数器Counter的值，计算当前控制周期的机械角度；

3-6)当下一次控制周期到来时，令i＝i+1，重新返回步骤3-1)。

本发明的特点及有益效果：

1)本发明建立了电机的电角度和机械角度(发动机曲轴位置)之间的关系，同时满足发动机和电机的控制需求，降低混合动力系统的成本；

2)本发明能够用于发动机-电机联合高频动力学控制，比如让电机输出随曲轴转角位置变化的转矩，作为主动减振算法的前馈转矩，抑制转速波动；

3)本发明是未来发动机-电机联合控制硬件平台的基础。

具体实施方式

本发明提出一种基于电机旋变电角度在线计算发动机角度位置的方法，包括以下步骤：

1)建立曲轴的机械角度与电角度之间的关系，表达式如下：

式中，电机的极对数为p，发动机的冲程数为s。电机的极对数p由电机结构参数决定，发动机的冲程数s为发动机结构参数，电角度ElecAng由电机控制器MCU(Motor ControlUnit)根据旋变信号计算得到，k由MCU通讯协议确定。因此，计算机械角度MechAng的关键在于得到正确的计数器Counter。

MCU中，记录由电机旋变计算出的电角度ElecAng所占用的字长为k个bit。发动机和电机同轴(若发动机和电机不同轴，则用电机/发动机机械转速速比Rit_trans乘以电机的极对数p代替式(1)中的p，即p→Rit_trans×p)时，以上各参数存在如下关系表。。

表1本发明中机械角度与电角度关系相关参数取值表

例如，对于本实施例，电机极对数p为12，发动机冲程数s为4。MCU中，电机的电角度ElecAng所占的字长为16个bit，发动机和电机同轴，则各参数取值如下表所示。

表2本实施例中机械角度与电角度关系相关参数取值表

由上述表格可知，曲轴的机械角度MechAng可以由以下公式确定：

2)计算控制周期电角度；

定义发动机曲轴的机械转速为n，单位为rpm。电机的电转速为n_elec，单位为rpm。MCU的控制周期为Ctrl_cyc，单位为μs。则有如下公式：

电机的电转速为：

n_elec＝np (3)

电转速n_elec每转所需要的时间为单位为ms。电转速n_elec每转所包含的控制周期的个数为则每个控制周期Ctrl_cyc对应的电角度ElecAng可以定义为Δ，称作控制周期电角度，则有：

亦可写作，

3)利用计数器Counter的跳变算法，计算发动机角度位置；具体步骤如下：

3-1)对上个控制周期和当前控制周期的电角度进行判定：

电角度可以从发动机控制器中直接读取，即为电机旋转变压器在电机控制器中记录的数值；

若有ElecAng(i-1)≥2^k-Rit×Δ，并且ElecAng(i)≤Rit×Δ，则计数器加1，即Counter＝Counter+1。

若有ElecAng(i-1)≤Rit×Δ，并且ElecAng(i)≥2^k-Rit×Δ，则计数器减1，即Counter＝Counter-1。

其中，i代表MCU当前控制周期次数，每经过一个控制周期，i增加1。计数器Counter的跳变边界范围为控制周期电角度Δ乘以系数Rit。控制周期电角度Δ的系数Rit应满足如下条件：

首先，为了防止信号毛刺造成的误判，控制周期电角度Δ应留有余量，有：

Rit＞1 (6)

另外，根据电角度ElecAng的取值范围(0～2^k-1)，有：

则有，1≤Rit×Δ≤2^k-1。即：

最后，为保证计数器Counter向上和向下跳变时的判定条件彼此独立(没有交集)，则有：

2^k-Rit×Δ＞Rit×Δ>

代入控制周期电角度Δ，可得：

在本实施例中，电机的极对数p为12，发动机冲程数s为4，MCU中电机的电角度ElecAng所占的字长为16个bit，MCU控制周期Ctrl_cyc为200μs，发动机和电机同轴，当n＝3000rpm(最高空载转速)时，有10^-4≤Rit＜4.17。本实施例中，Rit＝2。

3-2)计算当前控制周期的初始机械角度MechAng_init(i)；

3-3)校验当前控制周期的初始机械角度MechAng_init(i)是否发生跳变，并根据校验结果更新计数器Counter的值。

由于惯量，机械角度MechAng不会发生突变。因此，当机械角度出现跳变时(跳变幅度为机械角度步长Step_MechAngle)，应对计数器Counter进行修正。

定义机械角度步长Step_MechAngle的系数为α。若则认为当前控制周期的初始机械角度没有发生跳变，计数器保持不变。否则，若存在则当前控制周期的初始机械角度发生跳变，计数器减1，即Counter＝Counter-1。若则当前控制周期的初始机械角度发生跳变，计数器加1，即Counter＝Counter+1。

在机械角度MechAng跳变时，跳变的阈值应小于Step_MechAngle，以避免信号毛刺造成的误判。同时，应大于控制周期Ctrl_cyc内，当前工况下，机械角度的变化值，防止将正常机械角度变化误认为跳变。

可以计算得到：

对于本实施例，电机的极对数p为12，发动机冲程数s为4，MCU中电机的电角度ElecAng所占的字长为16个bit，MCU控制周期Ctrl_cyc为200μs，发动机和电机同轴，当n＝3000rpm(最高空载转速)时，有1＜α＜8.33。本实施例中，α＝2。

3-4)对经过步骤3-3)校验后计数器Counter的值进行修正，使其满足最大和最小值要求；

计数器Counter应满足边界限值如果则有如果Counter＜0，则有若以上两个不等式均不满足，则计数器Counter取值保持不变；

3-5)利用步骤3-4)修正后的计数器Counter的值，计算当前控制周期的机械角度；

3-6)当下一次控制周期到来时，令i＝i+1，重新返回步骤3-1)。