CN102651629A - 一种永磁磁链的在线估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种估算电机的永磁磁链的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(a)判断所述电机处于低速段还是处于高速段；(b)如果所述电机处于低速段，则通过查表来得到永磁磁链；如果所述电机处于高速段，则按照预选的电机状态方程实时地进行计算来得到永磁磁链。本发明通过采用查表和在线自适应参数估计相结合的方法估算永磁磁链，利用两种方法的优点，避免了查表误差过大，保证了估算精度，为转矩计算提供有效信息。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机控制技术领域，尤其涉及在线估算永磁磁链的方法。
背景技术
20世纪80年代以来，功率电子器件的发展、电子控制技术的进步以及高磁能积稀土永磁材料的出现，给电机带来了巨大的革命。将电励磁同步电机转子上的电励磁线圈用永磁体代替，产生了一种新的电动机——永磁电机。近年来，永磁电机技术迅速发展，已经在汽车、机车车辆、舰船电传动、风力发电、伺服驱动、航天航空、石油机械、工程机械等领域得到应用，功率从几千瓦到数兆瓦。
永磁电动机既有交流电动机的无电刷结构、运行可靠的优点，又有直流电动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，是当前电动汽车电动机研究与应用的热点。永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD-CM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。永磁同步电动机(PMSM)系统具有高控制精度、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，提高电动机的调速范围，因此在电动汽车驱动方面具有很好的应用价值。
内置式永磁同步电机目前被广泛应用在电动汽车上。内置式永磁电机的输出转矩包括永磁转矩和磁阻转矩，其中永磁磁链的大小将影响永磁转矩的变化，因而影响电机的输出特性。同时，整车控制器需要电机控制器反馈实际输出转矩，而在汽车上一般没有相对应的转矩传感器，该转矩需要根据电机参数计算得到，永磁磁链又是其中最重要的参数。有鉴于此，如果忽略永磁磁链的变化，电机控制器就无法满足转矩控制精度要求，影响电机控制质量，甚至出现系统故障。
因而，对于在整车控制过程中能够准确地估算电机的永磁磁链的方法有很大的需求。
发明内容
本发明的目的是要提供在不需要增加传感器的条件下，实时监测不同电流、不同温度下的永磁磁链的变化的方法，从而实现：1)精确反馈电机实际输出扭矩；2)精确估计电机最大输出能力，保证系统转矩安全；3)评估永磁磁钢性能。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种估算电机的永磁磁链的方法，所述方法包括以下步骤：(a)判断所述电机处于低速段还是处于高速段；(b)如果所述电机处于低速段，则通过查表来得到永磁磁链；如果所述电机处于高速段，则按照预定的电机状态方程实时地进行计算来得到永磁磁链。
优选地，所述方法还包括用所述实时计算的结果对所述表格进行修正，并将经修正的表格存储在所述电机控制器中供下次低速查表时使用的步骤。
优选地，所述表格初始地可以是预先通过试验测得的电机q轴电流、电机转子温度与永磁磁链的关系，并且其中根据电机q轴电流和电机转子温度进行二维查表。
优选地，所述预选的电机状态方程可以是Uq＝ω(Ld(id，iq)id+ψPM)+RS(T)iq，其中Uq为q轴电压，id和iq分别为d轴电流和q轴电流，ω为电角速度，Rs(T)为不同定子温度下的定子电阻，Ld(id，iq)为不同d轴电流和q轴电流下的d轴电感，ψPM为永磁磁链。
本发明利用控制器检测或计算的物理量来估算永磁磁链，包括电流、位置、转子温度等。该方法可以时时监测不同电流、不同温度下永磁磁链的变化。通过采用查表和在线自适应参数估计相结合的方法估算永磁磁链，可以同时利用两种方法的优点，避免了查表误差过大，保证了估算精度，为转矩计算提供有效信息。
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是根据本发明的永磁磁链在线估计方法的流程图。
图2是根据本发明的方法的实施例的示意图。
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是根据本发明的永磁磁链在线估算方法的流程图，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。首先，对电机的各个物理参数进行测量。所测量的参数可以包括：电机转速、电角速度、q轴电压、i轴和q轴电流、电机定子温度等，而电机转子温度可以通过估算算法得到，这将在下文中详细描述。可以通过将各种传感器安装在电机上的不同位置来测量相应的参数。接着，所述传感器可以将所测得各个参数传送给电机控制器，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。在收到电机转速值之后，根据本发明的方法，所述电机控制器将该转速值与预定的转速阈值比较以判断电机当前工作在低速段还是高速段。可以根据不同的永磁电机性能(如反电势大小)来确定该阈值，然后将其预存在电机控制器的存储器中。
在比较结果为当前转速大于阈值的情况下，根据本发明的方法将采用实时计算的方式来确定永磁磁链。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电机状态方程，将其预存在电机控制器的存储器中。一般地，电机状态方程中的各个变量对应于实际测得的各个物理参数，例如电角速度、q轴电压、i轴和q轴电流、温度参数等等。将这些参数值代入所选用的电机状态方程进行求解就可以得到当前状态下的永磁磁链，将在下文中给出具体的电机状态方程的例子。
在比较结果为当前转速小于阈值的情况下，根据本发明的方法将采用查表法来确定当前状态下的永磁磁链。所述查表可以是根据所测得的物理参数中的一个或多个来进行查表，只要该一个或多个物理参数的值与永磁磁链的值之间的对应关系可以预先确定。这样的对应关系可以通过预先进行试验来确定或者根据经验值来确定。根据一个物理参数来确定永磁磁链被称为一维查表，而同时根据两个物理参数来确定永磁磁链则被称为二维查表。可以将永磁磁链的值与一个或多个物理参数的值的对应关系以表格的形式存储在电机控制器的存储器中，由此电机控制器可以按照所选用的物理参数的实测值从预存的表格中直接提取当前状态下的永磁磁链的值，将在下文中给出具体的查找表的例子。
另外，还可以利用实时计算的结果来对预存的表格进行修正以使得预先估计的表格能够与实际的工况更加匹配。所述修正可以不同的频率来进行，例如每取得一个高速段的计算结果就对低速段表格进行修正，或者在工作状态比较稳定的情况下，相隔较长的时间才对低速段表格进行修正，或者在监视到出现异常的情况下进行修正。所述修正也可以根据需要采用各种数值处理的方法，例如按比例放大或缩小、插值、线性拟合等等，将在下文中给出具体的修正的例子。
从上文的说明中可以看到，根据本发明的方法将查表和实时计算相结合来估算永磁磁链，由此避免了在高速段查表误差过大，而在低速段估算准确性不足，对查找表实时的修正保证了整个工况下永磁磁链估值的精度，为转矩计算提供有效信息。
图2是根据本发明的方法的实施例的示意图。在该实施例中，转速的阈值被设定为1000rpm。另外，可以例如通过台架试验测得电机q轴电流、电机转子温度与永磁磁链的关系，并以二维表格的形式存放在控制器中供查表步骤使用。试验台架由被测电机及电机控制器、红外热像仪、电机支架、测功机、温度传感器等设备组成，具体的试验过程可以参考本案的发明人另外提交的题为“一种实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法”的发明专利申请。应理解的是，所述电机q轴电流、电机转子温度与永磁磁链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。通过所述台架试验，可以得到例如与一定范围内的电机转子温度、电机q轴电流的值对应的永磁磁链，如下表所示。
| ψPM(Wb) | I1 | I2 | I3 | …… |
| T1 | 0.06 | 0.058 | 0.055 | …… |
| T2 | 0.059 | 0.056 | 0.053 | …… |
| …… | …… | …… | …… | …… |
另外，选用电机状态方程Uq＝ω(Ld(id，iq)id+ψPM)+RS(T)iq作为高速段进行实时计算的基准，其中Uq为q轴电压，id、iq为dq轴电流，ω为电角速度，Rs(T)为不同温度下的定子电阻，Ld(id，iq)为不同dq轴电流下的d轴电感，ψPM为永磁磁链。
因此，当转速小于1000rpm时，即当前永磁电机处于低速段时，通过当前的q轴电流和相应的电机转子温度从上表中提取出永磁磁链ψPM的值。举例来说，若实测得到电机q轴电流为I1，而电机转子温度为T2时，则估计永磁磁链为0.059Wb。若没有实际测得与表格中完全对应的值，则可以采用例如插值的方法来得到永磁磁链。当转速大于1000rpm时，即当前永磁电机处于高速段时，则将上述各个变量的实测值代入上述电机状态方程进行求解，得到相应的永磁磁链值。
进一步地，还可以引进修正系数η，利用高速段实时计算得到的永磁磁链值对低速段的表格进行修正。例如，用各种数值比较或处理的方法得到同一电机转子温度和q轴电流下高速段的实时计算结果与表格中对应的值之间的关系，并且对表格中的其他值进行相应处理使得它们与高速段的对应值之间也具有同样的关系。可以将该经修正的表格存储在电机控制器中供下次低速查表时使用，从而保证整个工况下，永磁磁链观测的准确性。该修正过程可以在电机刚进入稳定的工作状态时进行一次，或者每隔预定的一段时间进行一次，并且这样的修正可以是局部修正也可以是整体修正。
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 (4)
1.一种估算电机的永磁磁链的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)判断所述电机处于低速段还是处于高速段；
(b)如果所述电机处于低速段，则通过查表来得到永磁磁链；如果所述电机处于高速段，则按照预定的电机状态方程实时地进行计算来得到永磁磁链。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述方法还包括以下步骤：
用所述实时计算的结果对所述表格进行修正，并将经修正的表格存储在所述电机控制器中供下次低速查表时使用。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述表格初始地为预先通过试验测得的电机q轴电流、电机转子温度与永磁磁链的关系，并且其中根据电机q轴电流和电机转子温度进行二维查表。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述预选的电机状态方程为Uq＝ω(Ld(id，iq)id+ψPM)+RS(T)iq，其中Uq为q轴电压，id和iq分别为d轴电流和q轴电流，ω为电角速度，Rs(T)为不同定子温度下的定子电阻，Ld(id，iq)为不同d轴电流和q轴电流下的d轴电感，ψPM为永磁磁链。
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