电动汽车用永磁同步电机退磁在线检测方法与流程

本发明涉及一种电动汽车用永磁同步电机退磁在线检测方法，属于电机驱动控制技术领域。

背景技术：

新能源汽车一般情况下是由多个动力源驱动整车，动力源包括电机和发动机等，电机既可和发动机同时驱动也可单独驱动完成各种整车工作模式。电动汽车用永磁同步电机的工作环境温度范围都在-40℃到150℃之间，由于长时间工作将导致转子温升超过允许的阈值，导致永久性退磁。另外，高速运转需要弱磁控制，弱磁电流产生的磁场抵消部分永磁体本身的磁场，使合成的永磁体磁链减小，达到弱磁扩速的目的，但是，弱磁电流过大或者失控情况下，也可能导致永磁体部分退磁或者永久退磁。为避免车用永磁同步电机转子永磁体退磁，如下专利提出了退磁检测方法：

申请号201210482964.5公开了一种《永磁同步电机转子失磁检测方法》，该方法利用上位机给定转速，控制电机运行至稳定状态后，不断增加电流值，观察测功机测得的转矩是否相应增加，初步判断永磁同步电机转子是否失磁，在可能失磁的情况下，控制电机空载运行至稳定状态后，不断减小电流值，观察测功机测得的电机各相电压与电机空载反电动势标定数据之间的差是否过大，确定永磁同步电机是否转子失磁。该方法未考虑永磁体温度的对转矩输出影响，且依赖大量实验数据，实际应用中的精度不高。

申请号201310378729.8公开了《一种基于失电残压的永磁同步电机失磁故障诊断方法》，首先采集电机失电瞬间定子端任一相的电压瞬时信号；从电压瞬时信号中截取自失电时刻起的失电残压波形，初步判断发生退磁故障的可能性；对截取的失电残压进行频谱变换，确定基波分量幅值；确定基波分量幅值与电机转速的比值即为故障特征；设置故障预警阀值，所述故障特征与故障预警阀值的比值即为故障因子；依据故障因子判断是否存在退磁故障。该方法需要增加额外的霍尔型电压传感器增加了成本，同时对需对失电残压进行频谱分析，需要大量运算，不适于在线检测退磁。

综上所述，以上退磁检测方法未考虑永磁体温度的影响或计算量大而不适于在线检测。

技术实现要素：

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永磁同步电机退磁在线检测方法，该方法考虑了温度（尤其是高温下）对永磁同步电机退磁的影响，同时通过主动短路电流测量可以在线监测永磁体健康状态,提高检测精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电动汽车用永磁同步电机退磁在线检测方法，由整车控制单元、主动短路控制单元、逆变开关电路、永磁同步电机、位置传感器、三相电流传感器、位置及转速处理单元、clark和park变换单元、永磁体磁链在线计算模块、设定值和比较单元组成；其特征在于：

所述的整车控制单元用于根据整车工作模式向主动短路控制单元发出主动短路控制指令；

所述的主动短路控制单元根据整车控制单元发出的主动短路控制指令和位置及转速处理单元输出的转速信号判断是否实施主动短路控制，当整车控制单元输出的主动短路控制指令为且电机机械转速超过拐点转速g，在两个条件均成立的情况下，输出主动短路pwm信号到逆变开关电路，如不满足条件则不输出主动短路pwm信号；

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)，用于执行主动短路控制单元发出的主动短路pwm信号，控制相应的三个上桥臂或下桥臂开关元件执行闭合动作；

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和park变换单元；

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和park变换单元接收电流传感器检测到的三相电流、、和位置及转速处理单元输出的位置信号θ，根据公式（1）、公式（2）和公式（3）换算为旋转坐标系下直轴电流和交轴电流；

clark变换公式如下：

（1）

（2）

park变换公式如下：

（3）

其中，、为静止坐标系下的直、交轴电流；、、为静止坐标系下的三相交流电流；θ转子位置电角度；、为旋转坐标系下的直、交轴电流。

所述永磁体磁链在线计算模块包括交流相电流幅值计算单元和永磁体磁链查表模块；其中，所述交流相电流幅值计算单元根据公式（10）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；永磁体磁链受转子温度影响很大，随着转子温度的上升而减小，反之，增加。由于无法直接测量，只能采用间接测量方法，永磁体磁链在线检测的原理如下：

忽略电机相绕组漏电感、铁心饱和、涡流和磁滞损耗，电流为对称的三相正弦电流，则其稳态电压方程如下：

（4）

（5）

其中，和为直交轴电压，r为定子电阻，ld、lq为d-q轴电感，r为定子电阻，为永磁体磁链，为转子机械转速，p为电机转子极对数。

在电机三相短路情况下，忽略功率模块的管压降，则直交轴电压和为零，

（6）

（7）

进一步可得：

（8）

（9）

同时，由于直交轴电流满足如下关系：

（10）

其中，为定子相电流幅值。

当电机机械转速ω趋近于无穷大时，则有，

（11）

（12）

（13）

（14）

因此，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，通过以is为索引，查表获得永磁体磁链数值。

一种永磁同步电机永磁体磁链在线测量方法，具体包括以下步骤：

a、对系统上电进行初始化；

b、由主动短路控制单元判断主动短路指令是否为1；如是，执行步骤c，否则返回步骤b；

c、接着判断电机机械转速是否超过拐点转速g；拐点转速g是一个可标定的特征转速点，从短路电流曲线可以看出，超过拐点转速后，短路电流幅值趋于稳定，根据该拐点转速对应的短路电流幅值可以计算永磁体磁链数值。如是，则执行步骤d，否则返回步骤b；

d、由主动短路控制单元发出主动短路控制指令，逆变开关电路实施主动短路；

e、由位置传感器检测电机转子位置，三相电流传感器、检测三相电流；由位置及转速处理单元计算转子位置和电机机械转速；由clark和park变换单元计算直交轴电流；由交流相电流幅值计算单元计算相电流幅值is；

f、由步骤e计算出的直交轴电流，输入到交流相电流幅值计算单元计算相电流幅值is；根据is对永磁体磁链查表获得永磁体磁链数值；

g、判断永磁体磁链低于设定值，如是，则执行步骤h；如否，则，则执行步骤i。

h、对永磁体退磁标志位置1，并发送到整车控制单元，返回步骤b；

i、对永磁体退磁标志位置0，并发送到整车控制单元，返回步骤b。

步骤f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，在电机三相主动短路情况下，短路电流幅值和永磁体磁链符合公式（14）关系，当转速超过拐点转速g后，短路电流幅值越大，则永磁体磁链越小，其对应的转子温度越高，当短路电流幅值超过设定的最大值后，将出现退磁现象。

步骤f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。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1、本发明采用了三相主动短路方式检测永磁同步电机退磁，该方法只需检测相电流幅值，同时考虑了温度对永磁体磁链的影响。另外，在永磁同步电机发生退磁的情况下，主动短路检测的电流幅值较大，提高了检测精度。

2、整车控制单元根据当前的工作模式发出主动短路指令，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；更为严重的是，电机作为执行器不能自行改变工作模式或者增加减小控制指令，电机的输出应该符合整车控制器的期望值。

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转矩避免产生不期望的加减速或者其他零部件损坏；也可以将短路转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。

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。

附图说明

图1为本发明永磁同步电机输出转矩在线检测原理框图；

图2为本发明永磁同步电机输出转矩在线检测流程图；

图3为本发明永磁体磁链在线计算模块原理框图；

图4为本发明三相短路电流、短路转矩与转速的关系曲线。

图中，1整车控制单元2.主动短路控制单元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7.位置及转速处理单元8.clark和park变换单元9.转矩计算模块91.交流相电流幅值计算单元92.永磁体磁链查表模块10.设定值11.比较单元。

具体实施方式

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。

本发明通过三相主动短路对永磁同步电机永磁体磁链进行在线测量。

如图1所示，所述整车控制单元1用于根据整车工作模式在不需要电机工作于主动输出力矩的情况下，如发动机单独驱动、发动机怠速和发动机制动等工况，向主动短路控制单元2发出主动短路控制指令。

所述主动短路控制单元2根据整车控制单元1发出的主动短路控制指令和位置及转速处理单元7输出的转速信号判断是否实施主动短路控制，当整车控制单元1输出的主动短路控制指令为1且电机机械转速超过拐点转速g，在两个条件均成立的情况下，输出主动短路pwm信号到逆变开关电路3，如不满足条件则不输出主动短路pwm信号；

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根据主动短路控制单元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；

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；

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和park变换单元8；

所述位置及转速处理单元7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和park变换单元8用于将三相电流传感器6检测到的三相电流中任意两相电流换算为直交轴电流和；

在主动短路过程中，主动短路控制单元2实时反馈短路转矩避免产生不期望的加减速或者其他零部件损坏，也可以将短路转矩曲线存储在整车控制单元1中，整车控制单元1可以直接查表或者做前馈控制。

整车控制单元1可以采取定时向电机发送主动短路指令的方式避免永磁体磁链测量的不连续性，也可以在主动短路控制单元2中存储多次测量数据，通过插值运算来估算永磁体磁链。

如图2所示，本实施例中永磁同步电机永磁体磁链在线测量过程如下：

一种永磁同步电机永磁体磁链在线测量方法，包括以下步骤：

a、对系统上电进行初始化；

b、由主动短路控制单元2判断主动短路指令是否为1；如是，执行步骤c，否则返回步骤b；

c、接着判断电机机械转速是否超过拐点转速g；如是，则执行步骤d，否则返回步骤b；

d、由主动短路控制单元2发出主动短路控制指令，逆变开关电路3实施主动短路；

e、由位置传感器5检测电机转子位置，三相电流传感器6、检测三相电流；由位置及转速处理单元7计算转子位置和电机机械转速；由clark和park变换单元8计算直交轴电流；由交流相电流幅值计算单元91计算相电流幅值is；

f、由步骤e计算出的直交轴电流，输入到交流相电流幅值计算单元91计算相电流幅值is；根据is对永磁体磁链查表获得永磁体磁链数值；

g、判断永磁体磁链低于设定值，如是，则执行步骤h；如否，则，则执行步骤i。

h、对永磁体退磁标志位置1，并发送到整车控制单元1，返回步骤b；

i、对永磁体退磁标志位置0，并发送到整车控制单元1，返回步骤b。

步骤f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。试验法测取永磁体磁链表格的方法是，首先将永磁同步电机置于环境仓中，将环境仓温度设定到测定温度，使永磁同步电机热浸透；其次，通过主动短路控制单元控制逆变开关电路使永磁同步电机处于三相短路状态；最后，用外部拖动装置带动电机由零转速到最高转速，测取全转速范围内的短路电流幅值，即可得到该温度下的短路电流幅值与永磁体磁链关系。重新设定环境仓温度到另一个设定温度，重复上述过程，即可得到全温度范围内的短路电流与永磁体磁链数值关系，形成以短路电流幅值为索引的永磁体磁链数值表格。步骤f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。仿真法是利用仿真软件如ansys或者jmag有限元仿真软件进行仿真，首先设定永磁体磁链数值，然后软件设定电机处于三相短路状态，然后，设定仿真的转速范围从零转速到最高转速，记录短路电流幅值；重新设定永磁体磁链数值，重复上述过程，即可得到不同永磁体磁链数值下的短路电流幅值，反向形成以以短路电流幅值为索引的永磁体磁链数值表格。

如图3所示，所述永磁体磁链在线计算模块9包括交流相电流幅值计算单元91和永磁体磁链查表模块92；其中，所述交流相电流幅值计算单元91根据公式（10）计算交流相电流幅值，输出给永磁体磁链查表模块92；所述永磁体磁链查表模块92用于根据交流相电流幅值查表获得永磁体磁链值；

如图4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有效值和短路转矩。永磁同步电机的三相短路电流有效值在低转速段随着转速增加而迅速上升，当转速超过拐点转速g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，三相短路电流有效值与电机机械转速的对应关系，在超过拐点转速后，同一电机机械转速与-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，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；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g后，逐渐趋于零。

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。