CN102694493B - 一种故障模式下永磁电机转矩估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁电机转矩估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(a)接收电机工作状态以及多个电机控制器检测信号；(b)根据所述电机工作状态来选择转矩估算算法，其中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UdcIdcη＝Tn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***效率，T为转矩，n为转速。利用本发明的永磁电机转矩估算方法，可在故障模式下向整车控制器准确地传送电机当前的输出转矩，从而增强故障模式下的转矩安全特性。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机转矩估算，更具体地涉及故障模式下的永磁电机转矩估算方法。
背景技术
永磁电机既有交流电机的无电刷结构、运行可靠的优点，又有直流电机的调速性能好的优点，且无需要励磁绕组，可以做到体积小、控制效率高，是当前电动汽车电机研究与应用的热点。永磁电机驱动***可以分为无刷直流电机(BLD-CM)***和永磁同步电机(PMSM)***。永磁同步电机(PMSM)***具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点。通过合理设计永磁磁路结构可以获得较高的弱磁性能，提高电机的调速范围，因此在电动汽车驱动方面具有很好的应用价值。
三相电压型逆变器通常被用于控制混合动力车辆中电动机相位电流的幅度和频率。对于永磁同步电机而言，逆变器的故障可以引起电动机内不受控制的制动转矩。这样的驱动***故障可以大致被分为短路型故障和开路型故障，也即三相短路和三相开路故障。
一般而言，整车控制器(VCU)需要电机控制器(MCU)来反馈永磁电机的实际输出转矩。由于在汽车上一般没有相对应的转矩传感器，该转矩实际上由电机控制器根据电机参数计算得到。在操作时，整车控制器会根据工况向电机控制器发送转矩指令，而电机控制器在永磁电机正常运转的情况下将依照该转矩指令对电机进行相应的控制，例如通过控制电流来实现转矩控制，并且相应地估算出电机的实际输出转矩反馈给整车控制器。但是，在电机***发生上述故障的情况下，电机控制器将不响应整车控制器的转矩指令，而为了保证整体上的正常运行，其仍然需要向整车控制器反馈一个电机的输出转矩值。
然而，在现有技术中还几乎没有用于电机故障模式(如三相短路或者三相开路)的转矩监测方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于通过在电机控制器中建立故障模式(三相短路或三相开路)的转矩估算方法，从而保证不同工况下的转矩监控能力，提高转矩安全特性和***可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了一种永磁电机转矩估算方法，所述方法包括以下步骤：(a)接收电机工作状态以及多个电机控制器检测信号；(b)根据所述电机工作状态来选择转矩估算算法，其中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。在一些实施例中，所述故障模式包括三相短路和三相开路。
优选地，对于所述三相短路故障模式，所述表格为预先通过试验测得的电机转速、转子温度与电机转矩的关系，并且所述多个电机控制器检测信号包括电机转速和转子温度。对于所述三相开路故障模式，所述表格为预先通过试验测得的电机转速与电机转矩的关系，并且所述多个电机控制器检测信号包括电机转速。
优选地，所述预定的转矩计算公式为其中id和iq分别为d轴电流和q轴电流，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，λPM为永磁磁链，T为转矩，p为电机极对数。
优选地，所述多个电机控制器检测信号可以包括电机电压、q轴电流、d轴电流、转速、转子温度、直流母线电压、直流母线电流。
为实现上述目的，本发明还提供了一种永磁电机转矩估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(a)接收电机工作状态以及多个电机控制器检测信号；(b)根据所述电机工作状态来选择转矩估算算法，其中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，按照功率等效计算公式UdcIdcη＝Tn实时地计算转矩输出，其中Udc为直流母线电压，Idc为直流母线电流，η为***效率，T为转矩，n为转速。在一些实施例中，所述故障模式包括三相短路和三相开路。
在一些实施例中，所述预定的转矩计算公式为其中id和iq分别为d轴电流和q轴电流，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，λPM为永磁磁链，T为转矩，p为电机极对数。
在一些实施例中，所述预定的转矩计算公式也为功率等效计算公式UdcIdcη＝Tn，其中Udc为直流母线电压，Idc为直流母线电流，η为***效率，T为转矩，n为转速。
优选地，所述多个电机控制器检测信号可以包括电机电压、q轴电流、d轴电流、转速、转子温度、直流母线电压、直流母线电流。
利用本发明的永磁电机转矩估算方法，可以在故障模式下向整车控制器准确地传送电机当前的输出转矩，从而增强故障模式下的转矩安全特性。
附图说明
以下将结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。其中：
图1是根据本发明的转矩估算方法的第一实施例的示意图；
图2是根据本发明的转矩估算方法的第二实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，以下结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。需要说明的是，附图中的各结构只是示意性的而不是限定性的，以使本领域普通技术人员能够最佳地理解本发明的原理，其不一定按比例绘制。
图1是根据本发明的转矩估算方法的第一实施例的示意图。该方法的主要步骤可以由集成的电机控制器来执行，但这不是限制性的。举例来说，该方法也可以利用各个独立的控制单元协同完成。如图1所示，电机控制器可以从例如永磁电机模块接收指示该电机工作状态的信号，所述电机工作状态可以分为正常模式和故障模式。此外，电机控制器还可以从其他各个模块接收多个电机控制器检测信号，其中所述模块可以是安装在电机上的不同位置的传感器。这些传感器测量相应的物理参数，并且将所测得各个参数值传送给电机控制器，该电机控制器以各种方式与这些传感器耦接来接收携载参数值的信号。可以根据所采用的估算方法来确定电机控制器需要接收哪些检测信号，这将在下文中详细说明。
根据该实施例，所述电机控制器首先将根据所收到的电机状态信号来获得关于该电机的工作状态是否正常的信息。如果该信号指示电机工作正常，则根据本发明的方法电机控制器将采用实时计算的方式来确定电机的输出转矩。可以选择与当前所使用的电机或者当前所处的应用场景相匹配的转矩计算公式，将其预存在电机控制器的存储器中。一般地，转矩计算公式中的各个变量对应于实际测得的各个物理参数，例如电机电压、q轴电流、d轴电流、转速、转子温度、直流母线电压、直流母线电流等等。在正常模式下，电机控制器会将其接收到的相应的参数值代入所选用的转矩计算公式进行求解，由此得到当前状态下的电机输出转矩。这个求解过程一般通过诸如计算机等处理设备来完成。举例来说，所述转矩计算公式的一个例子可以是其中id和iq分别为d轴电流和q轴电流，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，λPM为永磁磁链，T为转矩，p为电机极对数。
相反地，如果收到指示工作状态为故障模式的信号时，则所述电机控制器将不再根据公式来实时计算转矩，而是采用查表法来确定当前状态下电机的输出转矩。所述查表可以是根据多个电机控制器检测信号中的一个或多个来进行查表，即以该参数的测量值为索引，找到与其对应的转矩值。该一个或多个物理参数与转矩之间的对应关系可以通过预先进行试验或者根据经验值来确定并且以表格的形式存储在电机控制器中。目前在混合动力车中常用的是三相交流永磁同步电机，其由定子及转子两大部分所组成，定子上有三相交流绕组，而转子上则有成对磁极。对于这种电机，所述故障模式通常包括三相短路和三相开路两种。下面将以这两种电机故障为例来详细说明该查表步骤。
当电机三相短路时，电机的输出转矩与电机的转速和转子温度有关，因此可以预先确定电机转速和转子温度与输出转矩的关系而使得电机控制器可以实际测得的转速和转子温度值为索引来查找输出转矩。可以例如通过台架试验测试当电机三相短路时，在不同电机转速和转子温度下的电机输出转矩。举例来说，试验台架由被试电机及逆变器、功率分析仪、红外热像仪、电机支架、测功机等设备组成。首先将被试电机三相短路，然后控制测功机转速，记录不同转速、不同转子温度下，电机的输出转矩。应理解的是，所述电机转速、转子温度与电机转矩的关系也可以通过本领域技术人员所已知的任何试验方法得到。由此测得的转速和转子温度与转矩的对应关系被以二维表格的形式存放在电机控制器中供查表步骤使用。
当电机三相开路时，电机将通过不可控整流将能量回馈至直流母线，使母线电压迅速上升。此时，电机、不可控整流管、母线电容电阻形成一个回路，从而使得电机产生转矩。据此可以认为，电机三相开路下的转矩与电机转速存在对应关系，而电机控制器可以实际测得的转速为索引来查找输出转矩。可以通过与上文中相对于三相短路情况所描述的相类似的台架试验来测试当电机三相开路时，在不同电机转速下的电机输出转矩。在试验过程中，将被试电机控制在不同转速下运行，突然将被试电机三相开路，同时断开测功机，记录不同电机转速下，电机的输出转矩。由此测得的转速与转矩的对应关系被以一维表格的形式存放在电机控制器中供查表步骤使用。
在电机三相短路或者三相开路时，传统的转矩计算方法将不再准确，尤其是在极低转速的情况下会产生很大的误差，而利用上述查表法省去了这种不必要的处理器计算过程，并且得到了更加准确的转矩输出，增强了在电机故障情况下的转矩安全特性。
图2是根据本发明的转矩估算方法的第二实施例的示意图。在该实施例中，电机控制器同样接收指示该电机工作状态的信号以及各种电机控制器检测信号，根据电机工作是否正常而采用不同的转矩估算方法。在电机工作正常的情况下，电机控制器同样可以选择与当前所使用的电机或者当前所处的应用场景相匹配的转矩计算公式来实时计算得到电机的输出转矩，如相对于第一实施例所描述的那样。所述转矩计算公式可以是其中id和iq分别为d轴电流和q轴电流，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，λPM为永磁磁链，T为转矩，p为电机极对数，如图2所示。
与上述第一实施例不同的是，电机控制器在电机处于故障模式下时不采用查表的方式，而是采用功率等效计算的方法。在采用功率等效方法的情况下，电机控制器将根据直流母线电压、直流母线电流、当前电机转速及预存的效率值来计算当前输出转矩，即按照功率等效计算公式UdcIdcη＝Tn实时地进行计算，其中Udc为直流母线电压，Idc为直流母线电流，η为***效率，T为转矩，n为转速。该功率等效公式中的各个变量也对应于实际测得的各个物理参数，例如转速、直流母线电压、直流母线电流等等，电机控制器会将其接收到的相应的电机参数值代入上述公式进行求解。
在电机三相短路或者三相开路时，与常规的转矩计算公式相比，通过上述功率等效计算方法能够更加准确地获得转矩输出。应指出的是，该功率等效计算也能够用于正常模式。
以上列举了若干具体实施例来详细阐明本发明，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员还可以做出各种变形和改进。因此所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。
Claims (3)
1.一种永磁电机转矩估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)接收电机工作状态以及多个电机控制器检测信号；
(b)根据所述电机工作状态来选择转矩估算算法，其中
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；其中所述故障模式包括三相短路和三相开路；
对于所述三相短路故障模式，所述表格为预先通过试验测得的电机转速、转子温度与电机转矩的关系，并且所述多个电机控制器检测信号包括电机转速和转子温度；
对于所述三相开路故障模式，所述表格为预先通过试验测得的电机转速与电机转矩的关系，并且所述多个电机控制器检测信号包括电机转速。
2.如权利要求1所述的转矩估算方法，其特征在于，其中所述预定的转矩计算公式为其中id和iq分别为d轴电流和q轴电流，Ld为d轴电感,Lq为q轴电感，λPM为永磁磁链，T为转矩，p为电机极对数。
3.如权利要求1或2所述的转矩估算方法，其特征在于，其中所述多个电机控制器检测信号包括电机电压、q轴电流、d轴电流、转速、转子温度、直流母线电压、直流母线电流。
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