CN104360171B - 永磁同步电机电感参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机电感参数测量方法，属于电机驱动控制技术领域，目的是解决d轴机械定位不准、积分算法导致的测量偏差累积以及死区和导通压降导致的电感参数测量不准等问题。本方法在预定的温度下，对永磁同步电机实施三相开路操作，利用拖动单元将电机带动到预定转速，测量反电势、永磁体磁链和定子电阻，然后实施三相短路操作，利用直交轴电压为零的物理特征，根据直交轴电压方程和转矩公式计算直交轴电感，再实施三相开路操作并测量反电势，以测量前后反电势变化来判断转子温度是否在可接受的范围内。该方法可以消除逆变器死区和导通压降导致的电流波形畸变，无需d轴的机械定位，且所需机械装置少，易于实施。

Description

永磁同步电机电感参数测量方法

技术领域

本发明属于电机驱动控制技术领域，涉及一种永磁同步电机电感参数测量方法。

背景技术

典型的电机驱动控制***由逆变器、电机控制和电动机三部分组成。逆变器通过保险丝和继电器与动力电池或与其他类型电源相连，通过脉宽调制技术(PWM)将直流电转换为交流电用于驱动负载。在逆变器设备和电动机之间设有电流传感器用于检测三相电流。在电动机上装有检测电机位置的传感器。电机控制算法部分根据***的要求不同可以选择开环或者闭环控制，由于基于磁场定向的闭环矢量控制精度高，响应快，鲁棒性好，因此得到了广泛应用。永磁同步电机的矢量控制通过坐标变换后即可获得直交轴电流，从而达到类似直流电机的磁链和转矩解耦的控制效果。永磁同步电机由于效率高，功率密度大，恒功率区宽，而且内嵌式永磁同步电机由于磁阻效应产生的磁阻转矩可以大大提高电机的转矩密度，因此得到了越来越多的应用。车用永磁同步电机以转矩控制模式为主，要实现精确的转矩控制，必须做好基速区和弱磁区的电流轨迹规划，因此必须准确测量直交轴电感参数。实际上永磁同步电机的直交轴电感参数是随电流变化而变化，如果将其作为常数对待，必将影响电机的控制精度和稳定度。另外，矢量控制需要进行电压解耦控制，直交轴电感是重要的输入参数，如果这两个参数不准，会直接影响前馈解耦的准确度和PI调节效果，进而影响电机控制的精度及稳定度。基于上述考虑，必须对永磁同步电机电感参数进行测量以确定其变化规律，以便实现更精准的电机控制。

专利文献“一种永磁电机电感参数测量装置及方法”(申请号：200810027647.8)提出先将定子的任意两相短接，使转子磁极固定在磁极d轴与定子未被短接相的夹角为0度或90度的位置，然后向定子未被短接相与其余任意一相所组成的串联电路施加电压脉冲信号，记录总电流i、电压u信息和采样时间t信息，经过计算即可得到直交轴电感。该方法对于极对数较多的电机来说，用机械方式对转子磁极定位的精度降低，另外，该方法无法测量直交轴电流交叉耦合导致的电感饱和非线性情况。

专利文献“表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法”(申请号：200910034483.6)通过令电机定子A相与d轴重合，然后施加三相电压，使得转子q轴上的输出电流信号为0，d轴上输出正负交变的电流信号，经在线积分计算出d轴的磁链，再由d轴的磁链对d轴电流进行在线微分，得到定子电感参数。但若d轴机械定位不准会导致电感参数测量有偏差，其次，电流积分容易产生较大的直流偏置，会导致d轴磁链产生偏移，此外，该方法未考虑测量过程中转子温升导致的磁链下降对电感参数测量的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是永磁同步电机电感参数测量过程中对电机d轴机械定位不准以及由于积分算法导致的测量偏差累积等问题；另外，用于解决参数测量过程中由于逆变器死区和导通压降导致的电流波形畸变引起的电感参数测量不准确等问题。

为了解决上述技术问题，本发明的永磁同步电机电感参数测量方法包括拖动单元、轴连接装置、转速转矩测量单元、永磁同步电机、电机位置传感器、定子温度传感器、相电流传感器、三相线束、反电势检测单元、永磁体磁链检测单元、CLARK和PARK变换单元、定子相电阻检测单元和直交轴电感计算单元组成。下述对各个部分进行描述，拖动单元用于拖动永磁同步电机运转到设定转速；轴连接装置用于连接拖动单元与永磁同步电机的机械接口；转速转矩测量单元用于测量在拖动单元与永磁同步电机之间机械连接轴上传递的转速和转矩；永磁同步电机为被测对象，即为永磁体代替励磁绕组进行励磁的电机，通过机械接口与轴连接装置相连；电机位置传感器用于检测电机转子的绝对位置；定子温度传感器用于检测电机定子温度；相电流传感器用于检测电机三相电流中的任意两相；三相线束是电机三相绕组的输出端，用于与外部设备相连，实现三相短路或者开路；反电势检测单元用于检测电机任意两相的线反电势；永磁体磁链检测单元用于根据电机线反电势和转速计算永磁体磁链数值；CLARK和PARK变换单元用于将电机静止三相坐标系电流转换为两相旋转坐标系的直交轴电流；定子相电阻检测单元用于接收定子温度传感器信号，并将其转换成定子相电阻值；直交轴电感计算单元根据电机电感计算公式计算直交轴电感，并对试验前后线反电势之差进行校核，确定电感参数测量数据的有效性。

本发明的永磁同步电机电感参数测量过程如下：

第一步：在预定的温度下，对所有相线执行开路操作；

第二步：由拖动单元带动永磁同步电机运转到设定转速A，无负载，测量电机任意两相的线反电势V_int，输入到直交轴电感计算单元和永磁体磁链检测单元；

第三步：由永磁体磁链检测单元根据线反电势V_int和设定转速A计算永磁体磁链数值并输入到直交轴电感计算单元；

第四步：由拖动单元带动永磁同步电机转速降为零，对所有相线执行同时短路操作；

第五步：由拖动单元带动永磁同步电机运转到设定转速ω^* _n；

第六步：测量永磁同步电机任意两相电流和位置信号，输入到CLARK和PARK变换单元中，输出为永磁同步电机直交轴电流i_d和i_q；

第七步：由定子相电阻检测单元接收定子温度传感器信号并将其转换成定子相电阻值，输入到直交轴电感计算单元；

第八步：由转速转矩测量单元测量转子机械转速ω和转矩T_e，并输入到直交轴电感参数计算单元；

第九步：根据公式(1)、公式(2)和公式(3)中的任意两个，进行直交轴电感参数计算；

其中，L_d、L_q为d-q轴电感，R为永磁同步电机定子相电阻，i_d、i_q为d-q轴电流，ω为转子机械转速，p为永磁同步电机转子极对数，ψ_m为永磁体磁链，T_e为永磁同步电机输出转矩。

第十步：对所有相线执行开路操作；

第十一步：由拖动单元带动永磁同步电机运转到设定转速A，无负载，测量电机任意两相的线反电势V_mid，输入到直交轴电感计算单元；

第十二步：判断试验前后线反电势之差ΔV，即ΔV＝|V_int-V_mid|，是否在预定的范围C内；如是，则电感参数测量有效，转至第十三步；如否，降到预定温度后，返回第五步；

第十三步：判断设定转速ω^* _n是否小于电机最高转速ω_max；如是，则以一定步长Δω增加设定转速值，即ω^* _n+1＝ω^* _n+Δω，返回第五步；如否，则已完成全转速范围的电感参数测量，退出程序。

上述技术方案中：

所述的第五步中，设定转速ω^* _n应满足永磁同步电机最高转速ω_max可以被ω^* _n整除的条件。

所述的第十二步中，判断试验前后线反电势之差ΔV是否在预定的范围C内，“预定的范围C”根据转子所使用的永磁材料在预定的温升情况下导致永磁同步电机的线反电势电压变化之差确定。

所述的第十三步中，一定步长Δω应满足电机最高转速ω_max可以被Δω整除的条件。

由于上述技术方案的运用，本发明的优点在于：

1.永磁同步电机在三相线短路状态下，直交轴电压为零，根据直交轴电压这一特性可以计算出直交轴电感；另外，通过永磁同步电机的转矩公式可以计算出直交轴电感参数之差，与直交轴电压任意一个方程进行组合同样可以计算出直交轴电感，还可以利用三个公式中的任意一个对由另外两个公式计算出的测量结果进行校核，因此，该方法原理清晰，使用灵活；

2.电感计算中用到的参数，如转子机械转速ω、永磁同步电机输出转矩T_e、d-q轴电流i_d和i_q，定子相电阻R和永磁体磁链ψ_m均可直接测量，因此，测量精度高；

3.由于在三相稳态短路情况下，随着转速升高，永磁同步电机相电流幅值会从零一直上升到特征电流，直交轴磁场会发生不同程度的饱和，因此，饱和情况下的电感参数变化也会被测量出来；

4.在每一组电感测量前后，都会通过线反电势之差确定永磁同步电机转子温度变化是否在可以接受的范围内来确定测量值是否有效；

5.无论是通过逆变器还是人工操作均可使永磁同步电机处于三相稳态短路状态，因此，可以消除逆变器死区和导通压降导致的电流波形畸变，使电感参数测量更加准确；

6.该方法所需机械装置少，完全不需要d轴的机械定位，易于实施。

附图说明

图1是永磁同步电机电感参数测量方法原理框图；

图2是永磁同步电机电感参数测量流程图；

图3是永磁同步电机短路特性图；

图4是永磁同步电机短路电流特性；

图5是直轴电感参数与直轴电流曲线图；

图6是交轴电感参数与交轴电流曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

实施例1

本发明的目的在于对通过永磁同步电机三相短路对永磁同步电机电感参数进行测量。

如图1所示，拖动单元1用于拖动永磁同步电机4运转到设定转速ω；轴连接装置2用于连接拖动单元1与永磁同步电机4的机械接口；转速转矩测量单元3用于测量在拖动单元1与永磁同步电机4之间的机械连接轴的转速ω和转矩T_e；电机位置传感器5用于检测电机转子绝对位置，其为绝对式位置传感器，例如旋转变压器或者绝对位置光电编码器；定子温度传感器6用于检测电机定子温度；电流传感器7用于检测相电流，它可以是基于霍尔效应的非接触式电流传感器，也可以是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；三相高压线束8与驱动电机的装置相连；反电势检测单元9用于检测电机任意两相的线反电势信号；永磁体磁链检测单元10用于根据电机反电势和转速计算永磁体磁链数值；CLARK和PARK变换单元11用于将电流传感器3检测到的三相电流中U和V相电流换算为直交轴电流i_d和i_q；定子相电阻检测单元12用于接收定子温度传感器6信号并将其转换成定子相电阻值；直交轴电感计算单元13计算直交轴电感L_d和L_q；驱动控制单元14用于输出脉宽调制(PWM)信号；逆变器15具有六个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，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；逆变器15根据驱动控制单元14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，用以实现永磁同步电机三相线的短路或者断开操作。

如图2所示，本实施例中永磁同步电机电感参数测量过程如下：

第一步：逆变器15根据驱动控制单元14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的同时断开，实现永磁同步电机三相线的开路操作；

第二步：由拖动单元1带动永磁同步电机4运转到设定转速A，无负载，测量电机任意两相的线反电势V_int，输入到直交轴电感计算单元13和永磁体磁链检测单元10；

第三步：由永磁体磁链检测单元10根据线反电势V_int和设定转速A计算永磁体磁链数值并输入到直交轴电感计算单元13；

第四步：由拖动单元1带动永磁同步电机4转速降为零，逆变器15根据驱动控制单元14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的同时闭合，实现永磁同步电机三相线的短路操作；

第五步：由拖动单元1带动永磁同步电机4运转到设定转速ω^* _n；

第六步：测量永磁同步电机4任意两相电流和位置信号，输入到CLARK和PARK变换单元11中，输出为永磁同步电机直交轴电流i_d和i_q；

第七步：由定子相电阻检测单元12接收定子温度传感器6信号并将其转换成定子相电阻值，输入到直交轴电感计算单元13；

第八步：由转速转矩测量单元3测量转子机械转速ω和转矩T_e，并输入到直交轴电感参数计算单元13；

第九步：根据公式(1)、公式(2)和公式(3)中的任意两个，进行直交轴电感参数计算；

其中，L_d、L_q为d-q轴电感，R为永磁同步电机定子相电阻，i_d、i_q为d-q轴电流，ω为转子机械转速，p为永磁同步电机转子极对数，ψ_m为永磁体磁链，T_e为永磁同步电机输出转矩。

第十步：逆变器15根据驱动控制单元14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的同时断开，实现永磁同步电机三相线的开路操作；

第十一步：由拖动单元1带动永磁同步电机4运转到设定转速A，无负载，测量电机任意两相的线反电势V_mid，输入到直交轴电感计算单元13；

第十二步：判断试验前后线反电势之差ΔV，即ΔV＝|V_int-V_mid|，是否在预定的范围C内；如是，则电感参数测量有效，转至第十一步；如否，降到预定温度后，返回第五步；

第十三步：判断设定转速ω^* _n是否小于电机最高转速ω_max；如是，则以一定步长Δω增加设定转速值，即ω^* _n+1＝ω^* _n+Δω，返回第五步；如否，则已完成全转速范围的电感参数测量，退出程序。

在本实施例中，第一步和第十步中所述的三相线的开路操作，既可以通过逆变器三相上、下桥臂同时开路实现，也可以通过人工操作实现。

在本实施例中，第四步所述的三相线的短路操作，既可以通过逆变器三相下桥臂同时短路或者上桥臂同时短路实现，也可以通过人工操作实现。

此外，在本实施例中，永磁同步电机转子使用的磁性材料牌号为N35EH，转子温升为10℃时，与其对应的C值为0.5V。

图3所示为本实施例的永磁同步电机短路特性，横坐标是转速，纵坐标是短路力矩；永磁同步电机的短路力矩为与转速相反的阻力矩，因此，永磁同步电机正向旋转的情况下其短路力矩为负值；随着转速升高，其短路力矩绝对值先增加后减小，并且逐渐趋于零。

图4所示为本实施例的永磁同步电机短路电流特性，横坐标是转速，纵坐标是直交轴电流i_d和i_q，其中，曲线1为交轴电流i_q与转速的关系曲线，其呈现与短路力矩相似的趋势，交轴电流i_q随着转速升高其绝对值先增加后减小，并且逐渐趋于零。曲线2为直轴电流i_d与转速的关系曲线，其绝对值随着转速的升高而升高，并且趋于其最大值，即永磁体磁链ψ_m与直轴电感L_d之比值。

图5所示为本实施例的直轴电感参数与直轴电流曲线图，横坐标是直轴电流i_d，纵坐标是直轴电感L_d，随着直轴电流增加，d轴电感变化相对较小。

图6所示为本实施例的交轴电感参数与交轴电流曲线图，横坐标是交轴电流i_q，纵坐标是交轴电感L_q，q轴电感在电流全域内变化相对较大，且随着电流增大而减小。

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。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机电感参数测量方法，其特征在于包括拖动单元、轴连接装置、转速转矩测量单元、永磁同步电机、电机位置传感器、定子温度传感器、相电流传感器、三相线束、反电势检测单元、永磁体磁链检测单元、CLARK和PARK变换单元、定子相电阻检测单元和直交轴电感计算单元组成；

所述永磁同步电机电感参数测量方法包括如下步骤：

第一步：在预定的温度下，对所有相线执行开路操作；

第二步：由拖动单元带动永磁同步电机运转到设定转速A，无负载，测量电机任意两相的线反电势V_int，输入到直交轴电感计算单元和永磁体磁链检测单元；

第三步：由永磁体磁链检测单元根据线反电势V_int和设定转速A计算永磁体磁链数值并输入到直交轴电感计算单元；

第四步：由拖动单元带动永磁同步电机转速降为零，对所有相线执行同时短路操作；

第五步：由拖动单元带动永磁同步电机运转到设定转速ω^* _n；

第六步：测量永磁同步电机任意两相电流和位置信号，输入到CLARK和PARK变换单元中，输出为永磁同步电机直交轴电流i_d和i_q；

第七步：由定子相电阻检测单元接收定子温度传感器信号并将其转换成定子相电阻值，输入到直交轴电感计算单元；

第八步：由转速转矩测量单元测量转子机械转速ω和转矩T_e，并输入到直交轴电感参数计算单元；

第九步：根据公式(1)、公式(2)和公式(3)中的任意两个，进行直交轴电感参数计算

$L_d=\frac{-{\mathrm{Ri}}_q-{\mathrm{p\ω\ψ}}_m}{{\mathrm{p\ωi}}_d}---\left(1\right)$

$L_q=\frac{{\mathrm{Ri}}_d}{{\mathrm{p\ωi}}_q}---\left(2\right)$

$L_d-L_q=\frac{2T_e-3{\mathrm{p\ψ}}_m{i}_q}{3{\mathrm{pi}}_d{i}_q}---\left(3\right)$

其中，L_d、L_q为d-q轴电感，R为永磁同步电机定子相电阻，i_d、i_q为d-q轴电流，ω为转子机械转速，p为永磁同步电机转子极对数，ψ_m为永磁体磁链，T_e为永磁同步电机输出转矩；

第十步：对所有相线执行开路操作；

第十一步：由拖动单元带动永磁同步电机运转到设定转速A，无负载，测量电机任意两相的线反电势V_mid，输入到直交轴电感计算单元；

第十二步：判断试验前后线反电势之差ΔV，即ΔV＝|V_int-V_mid|，是否在预定的范围C内；如是，则电感参数测量有效，转至第十三步；如否，降到预定温度后，返回第五步；

第十三步：判断设定转速ω^* _n是否小于电机最高转速ω_max；如是，则以一定步长Δω增加设定转速值，即ω^* _n+1＝ω^* _n+Δω，返回第五步；如否，则已完成全转速范围的电感参数测量，退出程序。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机电感参数测量方法，其特征在于所述的第一步和第十步中对所有相线执行开路操作，可以通过逆变器上、下桥臂同时断开实现，也可以通过人工操作使永磁同步电机三相线束断开实现。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机电感参数测量方法，其特征在于所述的第四步中对所有相线执行同时短路操作，既可以通过逆变器三相下桥臂同时短路或者上桥臂同时短路实现，也可以通过人工操作使永磁同步电机三相线束可靠短接实现。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机电感参数测量方法，其特征在于所述的第十二步中，判断试验前后线反电势之差ΔV是否在预定的范围C内，“预定的范围C”根据转子所使用的永磁材料在预定的温升情况下导致永磁同步电机的线反电势电压变化之差确定。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机电感参数测量方法，其特征在于所述的第五步中，设定转速ω^* _n应满足永磁同步电机最高转速ω_max可以被ω^* _n整除的条件。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机电感参数测量方法，其特征在于所述的第十三步中，一定步长Δω应满足电机最高转速ω_max可以被Δω整除的条件。