CN111245321B - 内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法 - Google Patents

内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，包括第一标定阶段和第二标定阶段；第一标定阶段为低速运行状态下的最大转矩电流比标定：首先设定电机定子电流Is为第一预设电流值，然后在90°到180°范围内调整Is和d轴的夹角θ，调整θ角的同时，找到出现最大扭矩的点，然后使用同样的方法以固定第一预设电流值的步长增大至电机定子电流最大值Ismax；第二标定阶段为高速运行状态下的弱磁标定：从1/2额定转速开始，沿着第一标定阶段标定好的最大转矩电流比曲线上的id、iq矩阵，从扭矩为0点的id、iq开始，施加给电机。本发明能够解决现有技术难以得到准确的MTPA及弱磁控制算法的id、iq查表矩阵的问题。

Description

内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，特别是涉及一种内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法。
背景技术
由于纯电动汽车所携带的电池容量是有限的，而动力***是纯电动汽车上消耗电能最大的***，在电池容量一定的情况下，设计一款节能高效的电驱动***对提高纯电动汽车的续航里程具有非常重要的意义。目前纯电动汽车上使用的驱动电机大多是内嵌式永磁同步电机(IPMSM)，为提高***效率，在电机低速运行阶段需要使用最大转矩电流比(MTPA)控制算法，而在高速运行阶段由于反电动势的增大使电机线电压接近或超过母线电压，导致***电流因为没有电压调节的余量而失控，因此需要使用弱磁控制算法减小反电动势，使电机能在高转速下正常运行。
目前主流的MTPA及弱磁算法使用的是查表矩阵法，由于内嵌式永磁同步电机是一个非线性强耦合的控制对象，电机的重要参数电机d轴电感Ld、电机q轴电感Lq会随着***运行状态的不同而产生非线性的变化，因此传统的理论计算MTPA及弱磁控制的id、iq查表矩阵的方法会因为这种参数的非线性变化导致很难得到准确的MTPA及弱磁控制算法的id、iq查表矩阵，也就影响了扭矩控制精度及***效率。
发明内容
为此，本发明的目的在于提出一种内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，以解决现有技术难以得到准确的MTPA及弱磁控制算法的id、iq查表矩阵的问题。
一种内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，包括：
包括第一标定阶段和第二标定阶段；
第一标定阶段为低速运行状态下的最大转矩电流比标定：
设定电机定子电流Is为第一预设电流值，然后在90°到180°范围内调整Is和d轴的夹角θ，调整θ角的同时，观察扭矩值，当θ从90°变化到180°时，扭矩是呈先增大后减小的规律变化，找到出现最大扭矩的点，记录下此时的Is、扭矩和θ值；
使用同样的方法以固定第一预设电流值的步长增大至电机定子电流最大值Ismax，并记录Is、扭矩和θ值，得到全部数据后，依据id＝Iscosθ，iq＝Issinθ计算出电机定子d轴电流id、电机定子q轴电流iq矩阵，并得到最大转矩电流比曲线；
第二标定阶段为高速运行状态下的弱磁标定：
从1/2额定转速开始，沿着第一标定阶段标定好的最大转矩电流比曲线上的id、iq矩阵，从扭矩为0点的id、iq开始，施加给电机；
若此时输出电压Us小于输出电压最大值Usmax，则记录此时的扭矩、转速、id和iq；
若输出电压Us大于Usmax，通过减小iq，使电压降低到等于Usmax，记录此时的id、iq、转速和扭矩，若扭矩接近当前转速下的理论最大扭矩，则停止当前转速下的标定，将转速提高至预设转速，进入下一个转速的标定，按此方法依次标定，直到电机转速到峰值转速。
根据本发明提供的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，在第一标定阶段，会在90°到180°范围内调整Is和d轴的夹角θ，且调整θ角的同时，找到出现最大扭矩的点，然后使用同样的方法以固定第一预设电流值的步长增大至电机定子电流最大值Ismax，在第二标定阶段，从1/2额定转速开始，沿着第一标定阶段标定好的最大转矩电流比曲线上的id、iq矩阵，从扭矩为0点的id、iq开始，施加给电机，由此实现了在标定时已经将参数的非线性变化考虑进去，因此能够得到全部运行区间精确高效的MTPA及弱磁查表矩阵，能够确保扭矩控制精度及***效率。
另外，根据本发明上述的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，在第一标定阶段中，当电机处于恒转矩区运行时，使用最大转矩电流比算法进行标定，并使电机转速固定在1/2额定转速。
进一步地，在第一标定阶段中，得到最大转矩电流比曲线后，对最大转矩电流比曲线进行插值，将id从0A开始以第二预设电流值为间隔，计算出对应的iq，得到id、iq的关系表，第二预设电流值为第一预设电流值的负数，以此表数据为依据，使用电力测功机将电机拖至1/2额定转速，以id从0A开始以-10A为间隔依次给电机施加对应的id、iq，每给定一组电流，记录此时的扭矩值，最终得到最大转矩电流比查表矩阵数据。
进一步地，所述方法还包括：
将第一标定阶段和第二标定阶段的全部标定数据整合到一起，得到原始标定数据；
对原始标定数据进行插值以补充数据，得到每一转速下的电流曲线，在此曲线基础上取相同间隔的扭矩，提取出对应的id、iq，最终得到全域电流精确分配的MAP表格。
进一步地，第一预设电流值为10A。
进一步地，第二预设电流值为-10A。
进一步地，预设转速为100rpm。
进一步地，在第一标定阶段中，得到最大转矩电流比曲线后，使用MATLAB进一步地，对原始标定数据进行插值以补充数据的步骤中，使用MATLAB对原始标定数据进行插值以补充数据。
附图说明
本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为第一标定阶段的流程图；
图2为第二标定阶段的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，包括第一标定阶段和第二标定阶段。整个标定过程需要用到的设备主要有电力测功机(控制电机转速)、功率分析仪(监控电机线电压，线电流，电机扭矩，效率等)、电池模拟器(为电机控制器提供电源)、示波器(监控相电流波形)等。
请参阅图1，第一标定阶段为低速运行状态下的最大转矩电流比标定。
当电机处于恒转矩区运行时，使用最大转矩电流比算法进行标定，为保证电机工作在恒转矩区，使电机转速固定在1/2额定转速(相当于低转速区间)。
首先设定电机定子电流Is为第一预设电流值，本实施例中，第一预设电流值具体为10A，然后在90°到180°范围内调整Is和d轴的夹角θ，调整θ角的同时，观察扭矩值，当θ从90°变化到180°时，扭矩是呈先增大后减小的规律变化，找到出现最大扭矩的点，记录下此时的Is、扭矩和θ值；
使用同样的方法以固定第一预设电流值(即10A)的步长增大至电机定子电流最大值Ismax，并记录Is、扭矩和θ值，得到全部数据后，依据id＝Iscosθ，iq＝Issinθ计算出电机定子d轴电流id、电机定子q轴电流iq矩阵，并得到最大转矩电流比曲线，即MTPA曲线。
具体的，得到MTPA曲线后，对最大转矩电流比曲线进行插值，具体可以使用MATLAB等工具对最大转矩电流比曲线进行插值，将id从0A开始以第二预设电流值为间隔，计算出对应的iq，得到id、iq的关系表，第二预设电流值为第一预设电流值的负数，本实施例中，第二预设电流值具体为-10A，以此表数据为依据，使用电力测功机将电机拖至1/2额定转速，以id从0A开始以-10A为间隔依次给电机施加对应的id、iq，每给定一组电流，记录此时的扭矩值，最终得到最大转矩电流比查表矩阵数据。
请参阅图2，第二标定阶段为高速运行状态下的弱磁标定。
当电机在高速运行时，为避免反电动势过高，需要使用弱磁算法，从1/2额定转速(确保处于恒转矩运行区间)开始，沿着第一标定阶段标定好的最大转矩电流比曲线上的id、iq矩阵，从扭矩为0点的id、iq开始，施加给电机；
若此时输出电压Us小于输出电压最大值Usmax，说明这一阶段还处于MTPA阶段，无需弱磁，则记录此时的扭矩、转速、id和iq；
若输出电压Us大于Usmax，通过减小iq，表示反电动势过高，需要弱磁，通过减小iq，使电压降低到等于Usmax(为避免输出电压Us大于Usmax，可采取先给定id，再将iq慢慢从0增加，最终使Us等于Usmax)，记录此时的id、iq、转速和扭矩，若扭矩接近当前转速下的理论最大扭矩，则停止当前转速下的标定，将转速提高至预设转速，本实施例中，预设转速具体为100rpm，然后进入下一个转速的标定，按此方法依次标定，直到电机转速到峰值转速。标定完成后，记录好的数据就是高转速下的MTPA及弱磁查表电流标定矩阵。
将第一标定阶段和第二标定阶段的全部标定数据整合到一起，得到原始标定数据，但原始标定数据还不能直接制作成转矩-转速二维查表矩阵，因为原始标定数据中每个转速标定出的扭矩值不一样，而查表时是以转速和扭矩为给定进行查表，为方便后续代码中设计查表算法，还需要对这些数据进行一定处理才能得到代码中可用的全域MAP表格，为得到转矩和转速均为等间隔的电流矩阵(即全域MAP表格)，可以在MATLAB对原始标定数据进行插值以补充数据，得到每一转速下的电流曲线，在此曲线基础上取相同间隔的扭矩，提取出对应的id、iq，最终得到全域电流精确分配的MAP表格。通过此表格根据电机不同运行速度下的扭矩指令查找出的id、iq即为最优电流分配。
根据本实施例提供的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，在第一标定阶段，会在90°到180°范围内调整Is和d轴的夹角θ，且调整θ角的同时，找到出现最大扭矩的点，然后使用同样的方法以固定第一预设电流值的步长增大至电机定子电流最大值Ismax，在第二标定阶段，从1/2额定转速开始，沿着第一标定阶段标定好的最大转矩电流比曲线上的id、iq矩阵，从扭矩为0点的id、iq开始，施加给电机，由此实现了在标定时已经将参数的非线性变化考虑进去，因此能够得到全部运行区间精确高效的MTPA及弱磁查表矩阵，能够确保扭矩控制精度及***效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，其特征在于，包括第一标定阶段和第二标定阶段；
第一标定阶段为低速运行状态下的最大转矩电流比标定：
设定电机定子电流Is为第一预设电流值，然后在90°到180°范围内调整Is和d轴的夹角θ，调整θ角的同时，观察扭矩值，当θ从90°变化到180°时，扭矩是呈先增大后减小的规律变化，找到出现最大扭矩的点，记录下此时的Is、扭矩和θ值；
使用同样的方法以固定第一预设电流值的步长将电机定子电流Is增大至电机定子电流最大值Ismax，并记录Is、扭矩和θ值，得到全部数据后，依据id＝Iscosθ，iq＝Issinθ计算出电机定子d轴电流id、电机定子q轴电流iq矩阵，并得到最大转矩电流比曲线；
第二标定阶段为高速运行状态下的弱磁标定：
从1/2额定转速开始，沿着第一标定阶段标定好的最大转矩电流比曲线上的id、iq矩阵，从扭矩为0点的id、iq开始，施加给电机；
若此时输出电压Us小于输出电压最大值Usmax，则记录此时的扭矩、转速、id和iq；
若输出电压Us大于Usmax，通过减小iq，使电压降低到等于Usmax，记录此时的id、iq、转速和扭矩，若扭矩接近当前转速下的理论最大扭矩，则停止当前转速下的标定，将转速提高至预设转速，进入下一个转速的标定，按此方法依次标定，直到电机转速到峰值转速。
2.根据权利要求1所述的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，其特征在于，在第一标定阶段中，当电机处于恒转矩区运行时，使用最大转矩电流比算法进行标定，并使电机转速固定在1/2额定转速。
3.根据权利要求1所述的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，其特征在于，在第一标定阶段中，得到最大转矩电流比曲线后，对最大转矩电流比曲线进行插值，将id从0A开始以第二预设电流值为间隔，计算出对应的iq，得到id、iq的关系表，第二预设电流值为第一预设电流值的负数，以此表数据为依据，使用电力测功机将电机拖至1/2额定转速，以id从0A开始以-10A为间隔依次给电机施加对应的id、iq，每给定一组电流，记录此时的扭矩值，最终得到最大转矩电流比查表矩阵数据。
4.根据权利要求3所述的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，其特征在于，所述方法还包括：
将第一标定阶段和第二标定阶段的全部标定数据整合到一起，得到原始标定数据；
对原始标定数据进行插值以补充数据，得到每一转速下的电流曲线，在此曲线基础上取相同间隔的扭矩，提取出对应的id、iq，最终得到全域电流精确分配的MAP表格。
5.根据权利要求1所述的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，其特征在于，第一预设电流值为10A。
6.根据权利要求3所述的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，其特征在于，第二预设电流值为-10A。
7.根据权利要求1所述的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，其特征在于，预设转速为100rpm。
8.根据权利要求3所述的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，其特征在于，在第一标定阶段中，得到最大转矩电流比曲线后，使用MATLAB对最大转矩电流比曲线进行插值。
9.根据权利要求4所述的内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比及弱磁标定方法，其特征在于，对原始标定数据进行插值以补充数据的步骤中，使用MATLAB对原始标定数据进行插值以补充数据。
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