永磁同步电机输出转矩在线计算方法与流程

本发明涉及一种永磁同步电机输出转矩在线计算方法，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。电机在整车中多采用转矩控制模式，但多数车用电机的工作环境温度范围都在-40℃到150℃之间。对于永磁同步电机，在该温度范围内，转矩输出会随着温度的升高而降低，导致整车输出动力不足。为了实现转矩安全，一种方法是在电机输出轴上增加转矩传感器，对输出转矩进行实时监控，以保证系统安全，但是，这会导致整车成本升高，而且整车的空间非常有限。另一种方法是开发转矩估算，以监控电机输出，提高电机系统的可靠性。这种方法仅利用系统的原有参数即可进行转矩估算，不需要额外传感器，降低了硬件成本，因此得到广泛应用。目前转矩估算方法大体可以分为两类：磁链估算法和滑模观测器法。磁链估算法是以三相电流、电压和转子位置作为三个输入量，通过估算磁通进而估算转矩，这种方法软件程序简单，可以很容易地集成到单片机或者dsp中，然而，缺点是由于积分和温度变化导致磁通有很大的直流偏置，该偏置会给转矩估算带来偏差。滑模观测器法是通过滑模观测器估算转矩，这种方法的主要缺点是由于电机本体参数如d-q轴电感和定子电阻等都是时变的，模型的稳定性和收敛性不好。

申请号201110071027.6公开了一种《一种故障模式下永磁电机转矩估算方法》，其提出当所述电机工作状态为正常模式时，按照预定的转矩计算公式实时地计算转矩输出；当所述电机工作状态为故障模式时，根据所述多个电机控制器检测信号中的一个或多个进行查表来得到转矩输出或者按照功率等效计算公式udc*idc*η＝t*n实时地计算得到转矩输出，其中udc为直流母线电压，idc为直流母线电流，η为系统效率，t为转矩，n为转速。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201310124299.7公开了一种《电动马达扭矩估算》，通过校准马达以使得对于每个扭矩指令均具有对应的直轴（d轴）和交轴（q轴）电流指令。该方法包括建立扭矩指令t*。分别确定对应于扭矩指令t*的d轴和q轴电流指令id*、iq*。基于id*、iq*控制马达。分别测量d轴和q轴电流id、iq。根据扭矩指令t*与扭矩差之和估算输出扭矩。根据id*、iq*、id、和iq的函数确定扭矩差。可基于估算的输出扭矩控制车辆。该专利通过转矩指令t*查表获得d轴和q轴电流指令id*、iq*，并未考虑温度对转矩的影响。

综上所述，以上转矩估算方法都未考虑永磁体温度的影响，且均依赖于永磁同步电机本体的ld、lq和rs等参数，而这些参数的时变特性限制了转矩估算的精度。

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，提供一种永磁同步电机输出转矩在线计算方法，该方法通过测量主动短路电流补偿了温度对永磁体磁链影响，提高永磁同步电机输出转矩计算精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种永磁同步电机输出转矩在线计算方法，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变换单元和转矩计算模块组成；其特征在于：

所述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。

所述转矩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（11）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和；所述的转矩计算单元根据永磁同步电机转矩公式（4）进行计算。

（4）

其中，p为电机转子极对数；te为电磁转矩；为永磁体磁链；

转矩公式（4）中，直轴电流和交轴电流可以通过clark和park变换单元计算得到，直交轴电感和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，公式中永磁体磁链不能做常数处理，其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，具体方法如下：

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：

（5）

（6）

其中，为直轴电压、为交轴电压，r为定子电阻。

在电机三相短路情况下，忽略功率模块的管压降，则直轴电压和交轴电压为零，

（7）

（8）

进一步可得：

（9）

（10）

同时，由于直交轴电流满足如下关系：

（11）

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，

（12）

（13）

（14）

（15）

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，带入到公司（4）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，由于直轴电感是直轴电流和交轴电流的函数，通过有限元仿真软件可以得到二者之间的对应关系，同理可得交轴电感与直交轴电流和的对应关系。

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；如是，执行步骤d，否则停留在此步骤继续判断；

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；由直交轴电感查表单元通过查表获得直交轴电感数值；

g、由转矩计算单元根据转矩公式计算输出转矩。

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。

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、永磁同步电机输出转矩在线计算不依赖如定子电阻和直交轴电压等电机参数。

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。

5、该方法不需要额外硬件电路（如相电压检测电路、pwm信号重构）和软件算法，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

图1为本发明永磁同步电机输出转矩在线计算原理框图；

图2为本发明永磁同步电机输出转矩在线计算流程图；

图3为本发明转矩计算模块原理框图；

图4a为本发明直轴电感与直交轴电流参数关系图；

图4b为本发明交轴电感与直交轴电流参数关系图；

图5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93.直交轴电感查表单元94.转矩计算单元。

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d，否则停留在此步骤继续判断；

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不同永磁体磁链数值；由直交轴电感查表单元93通过查表获得直交轴电感数值；

g、由转矩计算单元94根据转矩公式计算输出转矩。

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。

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。

如图3所示，所述转矩计算模块9包括交流相电流幅值计算单元91、永磁体磁链查表模块92、直交轴电感查表单元93和转矩计算单元94；其中，所述交流相电流幅值计算单元91根据公式（11）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；所述直交轴电感查表单元93根据直交轴电流和查表获得直交轴电感和；所述的转矩计算单元94根据永磁同步电机转矩公式（4）进行计算。

如图4a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数值。

如图4b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数值。

如图5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。