CN104283479A - 基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测*** - Google Patents

Abstract

基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***，涉及电机控制领域。目前电机转矩监测忽略了温度对电机参数的影响，使得计算获得转矩与实际依旧存在较大差别。本技术方案包括：a相电流传感器；b相电流传感器；位置传感器；坐标变换单元；温度传感器；转子温度计算单元；三维电机参数存储单元；负载转矩计算单元。本技术方案设电机温度传感器，提高计算负载转矩的准确性，减少芯片的计算能力要求，降低成本，响应速度快。

Description

基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***

技术领域

本发明涉及本发明涉及电机控制领域，尤其为一种电机的监测***。

背景技术

电动汽车中广泛使用永磁同步电机，其对电机的主要要求是驱动电机能够在全速范围内和全负载范围内提供精确的转矩控制。除此之外，通过对比整车给定的指令转矩与驱动电机***的实际转矩，可以间接反映驱动电机***的运行状态，推断是否有故障。综合来看，转矩的测量对电动汽车而言，不仅是保证控制性能的要求，更是一项重要的安全性特征。

通过转矩测量仪器可以准确获得实际转矩，但是受限于电动汽车的成本控制、重量和空间位置等要求，这种方法并没有应用到电动汽车领域。现有的转矩测量主要是通过负载转矩观测器来实现的，其原理框图如图1所示。电机参数的准确获取是负载转矩观测器精确观测的必要条件。已有的电机参数获取方法主要是通过参数在线辨识来实现的，但这种获取方法对参数在线辨识算法要求高，增加了控制***的复杂性。也有部分参数在线辨识算法考虑了永磁体的饱和特性，提高了转矩观测的精度，但是这些方法忽略了温度对电机参数的影响，使得计算获得转矩与实际依旧存在较大差别。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***，以提高转矩计算准确性的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***，其特征在于包括：

a相电流传感器：用于对a相电流i_a进行采样；

b相电流传感器：用于对b相电流i_b进行采样；

位置传感器：用于检测转子位置θ；

坐标变换单元：与a相电流传感器及b相电流传感器相连，用于根据a相电流i_a、b相电流i_b、转子位置θ计算得到电机d轴电流i_d和q轴电流i_q；

温度传感器：用于测量定子温度t_s；

转子温度计算单元：与温度传感器相连，用于根据定子温度t_s计算得到电机转子温度t_r；

三维电机参数存储单元：用于存储对应于d轴电流i_d、q轴电流i_q和电机转子温度t_r的电机d轴电感L_d、q轴电感L_q和永磁体磁链Ψ_f；

负载转矩计算单元：与坐标变换单元及转子温度计算单元相连，用于根据d轴电流i_d、q轴电流i_q和电机转子温度tr查询三维电机参数存储单元得到电机d轴电感L_d、q轴电感L_q和永磁体磁链Ψ_f，并根据电机d轴电感L_d、q轴电感L_q、永磁体磁链Ψ_f、d轴电流i_d、q轴电流i_q计算负载转矩T_e。

本技术方案设电机温度传感器，提高计算负载转矩的准确性，另一方面，其负载转矩计算中所用到的电机参数是通过查表实时跟随电机的运行状态，因此观测得到的负载转矩具有更高的精度和更快的响应速度，电机参数事先设定，减少芯片的计算能力要求，降低成本。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

所述的温度传感器至少设有第一温度传感器、第二温度传感器，所述的第一温度传感器、第二温度传感器埋设于电机定子侧；转子温度计算单元根据第一温度传感器测量温度t_s1、第二温度传感器测量温度t_s2及两个温度测量点相对于电机转子的热阻数据计算获得电机转子温度t_r。设多个温度传感器有利于提高温度的监测的准确性。

三维电机参数存储单元中三维电机参数制作方法包括以下步骤：

1)对d轴电流i_d、q轴电流i_q和转子温度t_r进行组合，进行多次的电机有限元仿真分析；

2)将有限元分析的数据进行数据分析处理，分别生成d轴电感L_d仿真数据表、q轴电感L_q仿真数据表和永磁体磁链Ψ_f仿真数据表；

3)整理仿真数据表，对表格数据进行连续化处理，连接续化处理方式包括插值法计算；

4)得到初始的三维电机参数表，分别为d轴电感L_d三维电机参数表、q轴电感L_q三维电机参数表和永磁体磁链Ψ_f三维电机参数表；

5)记录电机在不同运行状态下的实测转矩和观测转矩；

6)如果观测转矩与实测转矩的误差超过允许范围，则需要对三维电机参数表进行误差修正，并重复步骤5)的操作；

7)当满足观测转矩与实测转矩的误差在允许范围内的要求时，输出最终的三维电机参数表。

坐标变换单元在进行坐标转换的方式包括两种：恒幅值变换和恒功率变换，恒幅值变换计算为公式(1)所示，恒功率变换计算为公式(2)所示：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{3}{2}& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \sqrt{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{3}{2}& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \sqrt{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]---\left(2\right)$

电机转子温度t_r计算公式为：

$t_r=\frac{t_{s2}-t_{s1}}{R_{\mathrm{th}1}}\·R_{\mathrm{th}2}+t_{s2};$

式中：R_th1和R_th2分别为两个温度测量点相对于电机转子的热阻数据。

负载转矩计算单元计算负载转矩T_e的公式为：T_e＝1.5n_p(L_di_di_q-L_qi_di_q+Ψ_fi_q)；式中n_p为永磁同步电机的磁对极数。

有益效果：。

附图说明

图1是现有转矩精确控制闭环***结构框图。

图2是本发明结构框图。

图3是本发明实施例的三维电机参数表制作方法的流程图。

图中：1-b相电流传感器，2-位置传感器，3-坐标变换单元，4-第一温度传感器，5-第二温度传感器，6-转子温度计算单元，7-三维电机参数表，8-a相电流传感器，9-负载转矩计算单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图2所示，本发明包括a相电流传感器8、b相电流传感器1、位置传感器2、坐标变换单元3、负载转矩计算单元9、第一温度传感器4、第二温度传感器5、转子温度计算单元6和存储三维电机参数表7的三维电机参数存储单元，a相电流传感器8和b相电流传感器1检测出两相的相电流i_a和i_b，位置传感器2检测出转子位置θ，第一温度传感器4和第二温度传感器5检测出电机定子温度t_s1和t_s2。

i_a、i_b和θ输入到坐标变换单元3中计算得到电机d轴电流i_d和_q轴电流i_q。坐标变换有两种形式：恒幅值变换和恒功率变换，恒幅值变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{3}{2}& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \sqrt{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]$

恒功率变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{3}{2}& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \sqrt{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]$

温度传感器4和温度传感器5分别埋设于电机电机定子侧两个温度测量点，其温度检测结果分别表示为t_s1和t_s2。可通过理论计算、仿真分析或实验测量得到这两个温度测量点相对于电机转子的热阻数据分别表示为R_th1和R_th2。将t_s1和t_s2输入到转子温度计算单元6即可计算出转子温度t_r，即：

$t_r=\frac{t_{s2}-t_{s1}}{R_{\mathrm{th}1}}\·R_{\mathrm{th}2}+t_{s2}$

i_d、i_q和t_r三个信号输入到三维电机参数表7，分别查询得到d轴电感L_d、_q轴电感L_q和永磁体磁链Ψ_f。再将L_d、L_q、Ψ_f、i_d和i_q输入到负载转矩计算单元9中计算得到负载转矩T_e，转矩计算公式为：

T_e＝1.5n_p(L_di_di_q-L_qi_di_q+Ψ_fi_q)。

图3中，负载转矩观测器中使用到的三维电机参数表7的制作方法包括以下步骤：

1)对d轴电流i_d、q轴电流i_q和转子温度t_r进行合理组合，进行充分次数的电机有限元仿真分析。

2)将有限元分析的数据导出，并在计算机中进行数据处理，分别生成d轴电感L_d仿真数据表、q轴电感L_q仿真数据表和永磁体磁链Ψ_f仿真数据表。

3)整理仿真数据表，表格内相邻单元格之间可通过简单的线性插值或其它更优的方法实现表格数据的连续化处理。

4)得到初始的三维电机参数表，分别为d轴电感L_d三维电机参数表、q轴电感L_q三维电机参数表和永磁体磁链Ψ_f三维电机参数表。

5)记录电机在不同运行状态下的实测转矩和观测转矩。

6)如果观测转矩与实测转矩的误差超过允许范围，则需要对三维电机参数表进行误差修正，并重复步骤5)的操作。

7)当满足观测转矩与实测转矩的误差在允许范围内的要求时，输出最终的三维电机参数表。

以上图2、3所示的基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (6)

1.基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***，其特征在于包括

a相电流传感器：用于对a相电流i_a进行采样；

b相电流传感器：用于对b相电流i_b进行采样；

位置传感器：用于检测转子位置θ；

坐标变换单元：与a相电流传感器及b相电流传感器相连，用于根据a相电流i_a、b相电流i_b、转子位置θ计算得到电机d轴电流i_d和q轴电流i_q；

温度传感器：用于测量定子温度t_s；

转子温度计算单元：与温度传感器相连，用于根据定子温度t_s计算得到电机转子温度t_r；

三维电机参数存储单元：用于存储对应于d轴电流i_d、q轴电流i_q和电机转子温度t_r的电机d轴电感L_d、q轴电感L_q和永磁体磁链Ψ_f；

负载转矩计算单元：与坐标变换单元及转子温度计算单元相连，用于根据d轴电流i_d、q轴电流i_q和电机转子温度t_r查询三维电机参数存储单元得到电机d轴电感L_d、q轴电感L_q和永磁体磁链Ψ_f，并根据电机d轴电感L_d、q轴电感L_q、永磁体磁链Ψ_f、d轴电流i_d、q轴电流i_q计算负载转矩T_e。

2.根据权利要求1所述的基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***，其特征在于：所述的温度传感器至少设有第一温度传感器、第二温度传感器，所述的第一温度传感器、第二温度传感器埋设于电机定子侧；转子温度计算单元根据第一温度传感器测量温度t_s1、第二温度传感器测量温度t_s2及两个温度测量点相对于电机转子的热阻数据计算获得电机转子温度t_r。

3.根据权利要求1所述的基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***，其特征在于：三维电机参数存储单元中三维电机参数制作方法包括以下步骤：

1)对d轴电流i_d、q轴电流i_q和转子温度t_r进行组合，进行多次的电机有限元仿真分析；

2)将有限元分析的数据进行数据分析处理，分别生成d轴电感L_d仿真数据表、q轴电感L_q仿真数据表和永磁体磁链Ψ_f仿真数据表；

3)整理仿真数据表，对表格数据进行连续化处理，连接续化处理方式包括插值法计算；

4)得到初始的三维电机参数表，分别为d轴电感L_d三维电机参数表、q轴电感L_q三维电机参数表和永磁体磁链Ψ_f三维电机参数表；

5)记录电机在不同运行状态下的实测转矩和观测转矩；

6)如果观测转矩与实测转矩的误差超过允许范围，则需要对三维电机参数表进行误差修正，并重复步骤5)的操作；

7)当满足观测转矩与实测转矩的误差在允许范围内的要求时，输出最终的三维电机参数表。

4.根据权利要求1所述的基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***，其特征在于：坐标变换单元在进行坐标转换的方式包括两种：恒幅值变换和恒功率变换，恒幅值变换计算为公式(1)所示，恒功率变换计算为公式(2)所示：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{3}{2}& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \sqrt{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{3}{2}& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \sqrt{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]---\left(2\right)$

5.根据权利要求2所述的基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***，其特征在于：电机转子温度t_r计算公式为：

$t_r=\frac{t_{s2}-t_{s1}}{R_{\mathrm{th}1}}\·R_{\mathrm{th}2}+t_{s2};$

式中：R_th1和R_th2分别为两个温度测量点相对于电机转子的热阻数据。

6.根据权利要求1所述的基于三维电机参数表的永磁同步电机负载转矩监测***，其特征在于：负载转矩计算单元计算负载转矩T_e的公式为：T_e＝1.5n_p(L_di_di_q-L_qi_di_q+Ψ_fi_q)；式中n_p为永磁同步电机的磁对极数。