CN110880896A - 电机电感测量方法及其测量*** - Google Patents

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CN110880896A CN201911165084.3A CN201911165084A CN110880896A CN 110880896 A CN110880896 A CN 110880896A CN 201911165084 A CN201911165084 A CN 201911165084A CN 110880896 A CN110880896 A CN 110880896A
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Abstract

本发明公开了一种用于三相交流永磁同步电机的电机电感测量方法，包括：使所述永磁同步电机执行预设转速，使永磁同步电机d轴/q轴工作在预设电压幅值和预设电压偏置幅值；在d轴/q轴输入第一电压；等待第一时长后，以第一周期采集永磁同步电机三相电流的包络线幅值、d轴/q轴电流的幅值；当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录预设数量第一电压周期的d轴/q轴电流，并获取d轴/q轴电流的最大值和最小值；根据第一电压周期、第一电压幅值和d轴/q轴电流幅值计算获得d轴/q轴电感，形成电感矩阵。本发明能避免PWM死区、d轴/q轴耦合项和温度对电感测量的影响，能快速准确测量三相交流永磁同步电机电感。

Description

电机电感测量方法及其测量***
技术领域
本发明涉及汽车领域，特别是涉及一种用于三相交流永磁同步电机的电机电感测量方法。本发明还涉及一种用于三相交流永磁同步电机的电机电感测量***。
背景技术
三相永磁同步电机(PMSM)具有体积小、质量轻、转子无发热等特点，在高性能交流伺服***中得到了广泛的应用，如汽车、工业机器人、数控机床、航空航天等领域。它是由绕线转子同步电机发展而来，利用永磁体取代电励磁***，使电机结构变得简单，减少了加工和装配费用，省去了励磁绕组、电刷和集电环，提高了电机效率和功率密度。
目前，三相交流永磁同步电机的电机电感测量方案主要包括：
1、完全依赖电机生产厂商提供的出厂参数。
2、通过其他仪器进行离线检测，例如利用LCR测量仪直接测量电感。
3、只能进行静态的在线检测，电机绕组端通入直流电压，根据电流的上升时间来计算电感。
现有测量方案存在以下缺陷：测量数据在电机动态调速过程中偏差较大，只能进行单个频率下的电机电感检测，无法得到全部调速范围内的电感值,无法测量电感随着定子铁芯饱和程度的变化趋势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于三相交流永磁同步电机能避免PWM死区、d轴/q轴耦合项和温度对电感测量影响，能快速准确测量电感的电机电感测量方法。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种用于三相交流永磁同步电机能避免PWM死区、d轴/q轴耦合项和温度对电感测量影响，能快速准确测量电感的电机电感测量***。
d轴是三相交流永磁同步电机中的直轴，q轴是三相交流永磁同步电机中的交轴，在三相交流永磁同步电机中转子磁极的中心线上，就是直轴方向，两相邻磁极之间的垂直平分线上就是交轴方向。
为解决上述技术问题，本发明提供用于三相交流永磁同步电机的电机电感测量方法，测量d轴电感时，包括以下步骤：
S1，使所述永磁同步电机执行预设转速，使所述永磁同步电机d轴电压幅值为第一电压幅值，d轴电压偏置幅值按第一偏置电压规则逐渐增加,使q轴电压幅值为第二电压幅值，q轴偏置电压幅值为第一偏置电压幅值；
S2,d轴输入第一电压，等待第一时长后，以第一周期获取永磁同步电机三相电流的包络线幅值和d轴电流的幅值；
S3，当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录预设数量第一电压周期的d轴电流，并获取d轴电流的最大值和最小值；由于PWM死区的影响，在电流过零点附近的电流跳变产生的6次谐波对高频信号的干扰。所以需要在三相电流均不为零(其中某一相电流最大)时采集电流信号；
S4，计算获得d轴电感Ld，形成电感矩阵；
Figure BDA0002287223130000021
ud是输入第一电压时d轴定子电压幅值,id是输入第一电压时d轴定子电流幅值，Ld是定子绕组d轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S1中，所述第一电压幅值范围为0.4V，所述第一偏置电压规则是该偏置电压由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V，所述第二电压幅值为0V，所述第一偏置电压幅值为0V。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S1中，所述预设转速为3rpm～15rpm。为忽略PWM死区和dq轴耦合项的影响，电机的转速选取为6rpm。在相电流过零点附近有谐波，所以电机需要保持低速匀速运行，并寻找三相电流特定的位置，即没有哪相电流在过零点.
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S2中，所述第一电压为大于等于200Hz的正弦电压。减小电阻项的影响，输入电压的频率不宜太小。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S2中，所述第一时长范围为0.5s～1s。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S2中，所述第一周期50us，即PWM周期。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S3中，所述预设数量为至少10个第一电压周期。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，测量q轴电感时，包括以下步骤：
S5，使所述永磁同步电机执行预设转速，使所述永磁同步电机d轴电压幅值为第三电压幅值，d轴电压偏置幅值为第二偏置电压幅值；使q轴电压幅值为第四电压幅值，q轴偏置电压幅值按第二偏置电压规则逐渐增加；
S6,q轴输入第一电压，等待第一时长后，以第一周期获取永磁同步电机三相电流的包络线幅值和q轴电流的幅值；
S7，当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录预设数量第一电压周期的q轴电流，并获取q轴电流的最大值和最小值；
S8，第一电压周期和幅值以及采集q轴电流幅值计算获得q轴电感Lq，形成电感矩阵；
Figure BDA0002287223130000031
uq是输入第一电压时q轴定子电压幅值,iq是输入第一电压时q轴定子电流幅值，Lq是定子绕组q轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S5中，所述第三电压幅值为0V，第二偏置电压幅值为0V，所述第四电压幅值为0.4V，所述第一偏置电压规则是该偏置电压由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S5中，所述预设转速为3rpm～15rpm
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S6中，所述第一电压为大于等于200Hz的正弦电压。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S6中，所述第一时长范围为0.5s～1s。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S6中，所述第一周期为50us。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量方法，步骤S7中，所述预设数量为至少10个第一电压周期。
本发明提供一种用于三相交流永磁同步电机的电机电感测量***，包括：
控制模块，其适用于使所述永磁同步电机执行预设转速，使永磁同步电机d轴/q轴工作在预设电压幅值和预设电压偏置幅值；
输入模块，其适用于在d轴/q轴输入第一电压；
采集模块，其适用于等待第一时长后，以第一周期采集永磁同步电机三相电流的包络线幅值、d轴/q轴电流的幅值；
记录模块，其适用于当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录预设数量第一电压周期的d轴/q轴电流，并获取d轴/q轴电流的最大值和最小值；
计算模块，其适用于根据第一电压周期、第一电压幅值和d轴/q轴电流幅值计算获得d轴/q轴电感，形成电感矩阵。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，计算d轴电感Ld时，控制模块使永磁同步电机d轴电压幅值为0.4V，d轴电压偏置幅值按第一偏置电压规则逐渐增加,使q轴电压幅值为0V，q轴偏置电压幅值为0V。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，所述第一偏置电压规则是该偏置电压由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，计算q轴电感Lq时，控制模块使永磁同步电机d轴电压幅值为0V，d轴电压偏置幅值为0V,使q轴电压幅值为0.4V，q轴偏置电压幅值按第二偏置电压规则逐渐增加。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，所述第二偏置电压规则是该偏置电压由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，所述第一电压是大于等于200Hz的正弦电压。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，第一时长范围为0.5s～1s。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，所述第一周期为50us。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，所述预设数量为至少10个第一电压周期。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，计算模块采用以下公式计算获得d轴电感Ld，形成电感矩阵；
Figure BDA0002287223130000041
ud是输入第一电压时d轴定子电压幅值,id是输入第一电压时d轴定子电流幅值，Ld是定子绕组d轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
可选择的，进一步改进所述的电机电感测量***，计算模块采用以下公式计算获得q轴电感Lq，形成电感矩阵；
Figure BDA0002287223130000051
uq是输入第一电压时q轴定子电压幅值,iq是输入第一电压时q轴定子电流幅值，Lq是定子绕组q轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
本发明原理如下：
当电机稳态运行时，d轴/q轴电压方程如下式；
Figure BDA0002287223130000052
Figure BDA0002287223130000053
采用大于等于200Hz正弦电压注入测量电感，即在d轴和q轴分别注入大于等于200Hz正弦电压后，获取高频电流的幅值。当电机以极低的转速运转时，即可忽略dq轴的耦合项，可得以下式；
Figure BDA0002287223130000054
Figure BDA0002287223130000055
化简可得电感公式如下：
Figure BDA0002287223130000056
Figure BDA0002287223130000057
ψm是转子永磁体产生的磁链，ωr是电机转子旋转电角频率，
Figure BDA0002287223130000058
是对d轴电流id进行微分，
Figure BDA0002287223130000059
是对d轴电流iq进行微分。
本发明依赖(不需要)高精度的可编程电源，保持被测三相交流永磁同步电机低速匀速运行且在任意两相电流相等的工况下采集电流幅值，能避免PWM死区和d轴/q轴耦合项的影响。本发明选取了合适的高频频率能避免温度对电阻的影响，确保了测量的可靠性。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明电机电感测量方法第一实施例流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明提供用于三相交流永磁同步电机的电机电感测量方法第一实施例，其用于测量d轴电感时，包括以下步骤：
S1，使所述永磁同步电机执行低转速3rpm～15rpm，优选为6rpm，使所述永磁同步电机d轴电压幅值为0.4V，d轴电压偏置幅值由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V,使q轴电压幅值为0V，q轴偏置电压幅值为0V；d轴电压幅值、d轴电压偏置幅值是根据电机类型及其工作电压范围决定的，此处的数值仅为示例性数值，并不代表本方案必须在该电压内才能实现。
S2,d轴输入大于等于200Hz的正弦电压，等待0.5s～1s后，以50us为周期获取永磁同步电机三相电流的包络线幅值和d轴电流的幅值；
S3，当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录10个50us周期的d轴电流，并获取d轴电流的最大值和最小值；由于PWM死区的影响，在电流过零点附近的电流跳变产生的6次谐波对高频信号的干扰。所以需要在三相电流均不为零(其中某一相电流最大)时采集电流信号；
S4，计算获得d轴电感Ld，形成电感矩阵；
Figure BDA0002287223130000061
ud是输入第一电压时d轴定子电压幅值,id是输入第一电压时d轴定子电流幅值，Ld是定子绕组d轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
本发明提供用于三相交流永磁同步电机的电机电感测量方法第二实施例，其用于测量q轴电感时，包括以下步骤：
S5，使所述永磁同步电机执行3rpm～15rpm转速，使所述永磁同步电机d轴电压幅值为0V，d轴电压偏置幅值为0V；使q轴电压幅值为0.4V，q轴偏置电压幅值由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V；q轴电压幅值、q轴电压偏置幅值是根据电机类型及其工作电压范围决定的，此处的数值仅为示例性数值，并不代表本方案必须在该电压内才能实现。
S6,q轴输入大于等于200Hz的正弦电压，等待0.5s～1s后，以50us为周期获取永磁同步电机三相电流的包络线幅值和q轴电流的幅值；
S7，当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录至少10个50us周期的q轴电流，并获取q轴电流的最大值和最小值；
S8，第一电压周期和幅值以及采集q轴电流幅值计算获得q轴电感Lq，形成电感矩阵；
Figure BDA0002287223130000071
uq是输入第一电压时q轴定子电压幅值,iq是输入第一电压时q轴定子电流幅值，Lq是定子绕组q轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
本发明提供一种用于三相交流永磁同步电机的电机电感测量***第一实施例，计算d轴电感Ld，包括：
控制模块使永磁同步电机工作转速为3rpm～15rpm，d轴电压幅值为0.4V，d轴电压偏置幅值由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V,使q轴电压幅值为0V，q轴偏置电压幅值为0V。
输入模块，其适用于在d轴输入大于等于200Hz的正弦电压；
采集模块，其适用于等待0.5s～1s后，以50us为周期采集永磁同步电机三相电流的包络线幅值和d轴电流的幅值；
记录模块，其适用于当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录至少10个50us周期的d轴电流，并获取d轴电流的最大值和最小值；
计算模块采用以下公式计算获得d轴电感Ld，形成电感矩阵；
Figure BDA0002287223130000081
ud是输入第一电压时d轴定子电压幅值,id是输入第一电压时d轴定子电流幅值，Ld是定子绕组d轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
本发明提供一种用于三相交流永磁同步电机的电机电感测量***第二实施例，计算q轴电感Lq，包括：
控制模块使永磁同步电机工作转速为3rpm～15rpm，d轴电压幅值为0V，d轴电压偏置幅值为0V,使q轴电压幅值为0.4V，q轴偏置电压幅值由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V。
输入模块，其适用于在d轴输入大于等于200Hz的正弦电压；
采集模块，其适用于等待0.5s～1s后，以50us为周期采集永磁同步电机三相电流的包络线幅值和q轴电流的幅值；
记录模块，其适用于当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录至少10个50us周期的q轴电流，并获取q轴电流的最大值和最小值；
计算模块采用以下公式计算获得d轴电感Ld，形成电感矩阵；
Figure BDA0002287223130000082
uq是输入第一电压时q轴定子电压幅值,iq是输入第一电压时q轴定子电流幅值，Lq是定子绕组q轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (26)

1.一种电机电感测量方法，其用于三相交流永磁同步电机，其特征在于，测量d轴电感时，包括以下步骤：
S1，使所述永磁同步电机执行预设转速，使所述永磁同步电机d轴电压幅值为第一电压幅值，d轴电压偏置幅值按第一偏置电压规则逐渐增加,使q轴电压幅值为第二电压幅值，q轴偏置电压幅值为第一偏置电压幅值；
S2,d轴输入第一电压，等待第一时长后，以第一周期获取永磁同步电机三相电流的包络线幅值和d轴电流的幅值；
S3，当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录预设数量第一电压周期的d轴电流，并获取d轴电流的最大值和最小值；
S4，计算获得d轴电感Ld，形成电感矩阵；
Figure FDA0002287223120000011
ud是输入第一电压时d轴定子电压幅值,id是输入第一电压时d轴定子电流幅值，Ld是定子绕组d轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
2.如权利要求1所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S1中，所述第一电压幅值范围为的范围为0.4V，所述第一偏置电压规则是该偏置电压由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V，所述第二电压幅值为0V，所述第一偏置电压幅值为0V。
3.如权利要求1所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S1中，所述预设转速为3rpm～15rpm。
4.如权利要求1所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S2中，所述第一电压为大于等于200Hz的正弦电压。
5.如权利要求1所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S2中，所述第一时长范围为0.5s～1s。
6.如权利要求1所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S2中，所述第一周期50us。
7.如权利要求1所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S3中，所述预设数量为至少10个第一电压周期。
8.如权利要求1所述的电机电感测量方法，其特征在于，测量q轴电感时，包括以下步骤：
S5，使所述永磁同步电机执行预设转速，使所述永磁同步电机d轴电压幅值为第三电压幅值，d轴电压偏置幅值为第二偏置电压幅值；使q轴电压幅值为第四电压幅值，q轴偏置电压幅值按第二偏置电压规则逐渐增加；
S6,q轴输入第一电压，等待第一时长后，以第一周期获取永磁同步电机三相电流的包络线幅值和q轴电流的幅值；
S7，当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录预设数量第一电压周期的q轴电流，并获取q轴电流的最大值和最小值；
S8，第一电压周期和幅值以及采集q轴电流幅值计算获得q轴电感Lq，形成电感矩阵；
Figure FDA0002287223120000021
uq是输入第一电压时q轴定子电压幅值,iq是输入第一电压时q轴定子电流幅值，Lq是定子绕组q轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
9.如权利要求8所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S5中，所述第三电压幅值为0V，第二偏置电压幅值为0V，所述第四电压幅值为0.4V，所述第一偏置电压规则是该偏置电压由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V。
10.如权利要求8所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S5中，所述预设转速为3rpm～15rpm。
11.如权利要求8所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S6中，所述第一电压为大于等于200Hz的正弦电压。
12.如权利要求8所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S6中，所述第一时长范围为0.5s～1s。
13.如权利要求8所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S6中，所述第一周期为50us。
14.如权利要求8所述的电机电感测量方法，其特征在于:步骤S7中，所述预设数量为至少10个第一电压周期。
15.一种电机电感测量***，其用于三相交流永磁同步电机，其特征在于，包括：
控制模块，其适用于使永磁同步电机工作在预设转速，使永磁同步电机d轴/q轴工作在预设电压幅值和预设电压偏置幅值；
输入模块，其适用于在d轴/q轴输入第一电压；
采集模块，其适用于等待第一时长后，以第一周期采集永磁同步电机三相电流的包络线幅值、d轴/q轴电流的幅值；
记录模块，其适用于当三相电流中任意两相电流相等时，开始记录预设数量第一电压周期的d轴/q轴电流，并获取d轴/q轴电流的最大值和最小值；
计算模块，其适用于根据第一电压周期、第一电压幅值和d轴/q轴电流幅值计算获得d轴/q轴电感，形成电感矩阵。
16.如权利要求15所述的电机电感测量***，其特征在于：所述预设转速为3rpm～15rpm。
17.如权利要求15所述的电机电感测量***，其特征在于：
计算d轴电感Ld时，控制模块使永磁同步电机d轴电压幅值为0.4V，d轴电压偏置幅值按第一偏置电压规则逐渐增加,使q轴电压幅值为0V，q轴偏置电压幅值为0V。
18.如权利要求15所述的电机电感测量***，其特征在于：所述第一偏置电压规则是该偏置电压由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V。
19.如权利要求15所述的电机电感测量***，其特征在于：
计算q轴电感Lq时，控制模块使永磁同步电机d轴电压幅值为0V，d轴电压偏置幅值为0V,使q轴电压幅值为0.4V，q轴偏置电压幅值按第二偏置电压规则逐渐增加。
20.如权利要求17所述的电机电感测量***，其特征在于：所述第二偏置电压规则是该偏置电压由0.5V每次增加0.5V逐渐增大到2.5V。
21.如权利要求15所述的电机电感测量***，其特征在于：所述第一电压是大于等于200Hz的正弦电压。
22.如权利要求15所述的电机电感测量***,其特征在于：第一时长范围为0.5s～1s。
23.如权利要求15所述的电机电感测量***，其特征在于：所述第一周期为50us。
24.如权利要求15所述的电机电感测量***，其特征在于：所述预设数量为至少10个第一电压周期。
25.如权利要求15所述的电机电感测量***，其特征在于：计算模块采用以下公式计算获得d轴电感Ld，形成电感矩阵；
Figure FDA0002287223120000041
ud是输入第一电压时d轴定子电压幅值,id是输入第一电压时d轴定子电流幅值，Ld是定子绕组d轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
26.如权利要求15所述的电机电感测量***，其特征在于：计算模块采用以下公式计算获得q轴电感Lq，形成电感矩阵；
Figure FDA0002287223120000042
uq是输入第一电压时q轴定子电压幅值,iq是输入第一电压时q轴定子电流幅值，Lq是定子绕组q轴电感，Rs是定子电阻，ωe是第一电压频率。
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