CN103427752A - 永磁同步电机转矩参数测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁同步电机转矩参数测量方法及装置。本发明中的方法包括以下步骤：将永磁同步电机驱动系统构建成电流、转速双闭环控制系统，调节电流环、转速环的PI参数，让电流、转速的波动降至最小；将电机转速升至额定转速，然后以一个定值为单位逐步增加给定转矩；当定子的合成电流降至最小时记录此时的d、q轴电流和与其相对应的负载转矩；根据测得的d、q轴电流参数与相应的负载转矩制作转矩-电流表格，将其写入控制程序中，当给定转矩传入控制器时，直接由查表给出d、q轴电流给定，完成对永磁同步电机输出转矩的精确控制。本发明考虑到电机运行过程中参数变化对转矩估算带来的影响，通过查表控制d、q轴的电流从而达到精确控制电机输出转矩的目的。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，简称为PMSM），具体地说是一种永磁同步电机转矩参数测量方法及装置。
背景技术
随着纯电动汽车的迅速发展，永磁同步电机驱动系统使用得越来越广泛，同时对电机参数的精度要求也越来越高。在永磁同步电机牵引控制系统中，主要的控制对象为电机的输出转矩，由于驱动系统中并无力矩传感器，那么就需要精确的电机参数来估算输出力矩。
目前估算电机参数的方法有很多，例如申请号为201010268861.X的中国发明专利申请就公开了一种永磁同步电机的参数获取方法。该方法为测量直流母线电压，采用数字式滞环型脉冲调制解调控制方式，控制逆变器向PMSM输出电流；并检测PMSM中与输入电流对应的线电压和相电流；并根据控制逆变器向PMSM输出的不同的电流，计算永磁同步电机的定子电阻、永磁体励磁磁链的磁感应强度ψf和/或d轴的电感值Ld以及q轴的电感值Lq，实现了对PMSM中上述三个参数精确计算，并有效的提高了矢量控制技术对PMSM的控制效果。此方法在一般的控制系统中较为实用，当电机参数测出以后就可根据电机方程计算输出转矩。但是这种方法的缺陷也十分明显，其缺陷就是电机参数精度不高，从而导致输出转矩误差较大。在永磁同步电机实际运行时，电机内部参数应该是时变的，而这种方法测得的参数只是一个固定值，并不是一条变化的曲线。在纯电动汽车牵引系统中，要保持电机运行中电机输出力矩被精确的估算，那么必须要测量出电机参数的变化曲线。
和转矩估算有关的电机参数主要为永磁体励磁磁链、d轴的电感值Ld以及q轴的电感值Lq。要精确测量上述三个参数的变化曲线较难，需要测的数据量也十分庞大，但是由电机原理可知这三个参数之所以会发生变化，主要是因为电机定子电流发生变化，所以只要测量在不同电流下电机输出的力矩也能达成同样的效果，电机参数的变化因素也已包含在内。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种永磁同步电机转矩参数测量方法及装置，该方法及装置可精确估算永磁同步电机的输出转矩。
按照本发明的技术方案：一种永磁同步电机转矩参数测量方法，包括以下步骤：
1) 将永磁同步电机、编码器、CLAKE变换模块、PARK变换模块、PI调节器、PARK逆变换模块、SVPWM模块及逆变器构建成电流、转速双闭环控制系统，调节电流环、转速环的PI参数，让电流、转速的波动降至最小；
2)将电机转速升至额定转速，然后以一个定值为单位逐步增加给定转矩；每次加负载时，首先将d轴电流降为0，此时电机的输出力矩为q轴电流与转子磁链产生的电磁转矩并无磁阻转矩，电流稳定后逐渐减小d轴电流，观察当定子的合成电流降至最小时记录此时的d、q轴电流和与其相对应的负载转矩；
3)根据测得的d、q轴电流参数与相应的负载转矩制作转矩-电流表格，将其写入控制程序中，当给定转矩传入控制器时，直接由查表给出d、q轴电流给定，完成对永磁同步电机输出转矩的精确控制。
所述步骤2)中以5N.m这一定值为单位逐步增加给定转矩。
所述步骤2)中采用MTPA的方式确保定子单位电流输出转矩最大。
一种永磁同步电机转矩参数测量装置，用于测量永磁同步电机的转矩参数，其特征是：所述装置包括直流稳压电源、逆变器、驱动控制器、编码器、扭矩仪及测功机，所述测功机通过所述扭矩仪与所述永磁同步电机的输出轴相连，所述永磁同步电机与所述编码器、所述驱动控制器及所述逆变器之间构建成电流、转速双闭环控制系统，所述逆变器与所述直流稳压电源相连。
所述驱动控制器包括转速环PI调节器、q轴电流环调节器、d轴电流环调节器、PARK逆变换模块、SVPWM模块、PARK变换模块及CLAKE变换模块，所述转速环PI调节器、所述q轴电流环调节器、所述PARK逆变换模块、所述SVPWM模块、所述逆变器、所述永磁同步电机与所述编码器构成所述转速闭环控制系统，所述d轴电流环调节器、所述PARK逆变换模块、所述SVPWM模块、所述逆变器、所述CLAKE变换模块及所述PARK变换模块构成所述电流闭环控制系统。
所述扭矩仪分别通过联轴器与所述永磁同步电机及所述测功机相连。
本发明的技术效果在于：本发明考虑到电机运行过程中参数变化对转矩估算带来的影响，采用永磁同步电机矢量控制算法将三相电流通过PARK变换分解到d、q轴上，通过查表控制d、q轴的电流从而达到精确控制电机输出转矩的目的，控制所需表格中的参数由实测得出，所以控制精度较高。
附图说明
图1为本发明测量装置的结构框图。
图2为本发明构建成的电流、转速双闭环控制系统的结构框图。
图3为本发明构建成的转矩控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1～图3中，包括转速环PI调节器1、q轴电流环调节器2、d轴电流环调节器3、PARK逆变换模块4、SVPWM模块5、逆变器（Inverter）6、PARK变换模块7、CLAKE变换模块8、编码器（Encoder）9、永磁同步电机10、转矩电流表格11、直流稳压电源12、驱动控制器13、扭矩仪14、测功机15等。
下面以功率为10kw，额定电流为100A，额定力矩为60N的永磁同步电机为例说明本发明测量方法的具体过程。
一种永磁同步电机转矩参数测量方法，包括以下步骤：
1) 如图2所示，将永磁同步电机10、编码器（Encoder）9、CLAKE变换模块8、PARK变换模块7、PI调节器（转速环PI调节器1、q轴电流环调节器2、d轴电流环调节器3）、PARK逆变换模块4、SVPWM模块5及逆变器6构建成电流、转速双闭环控制系统，调节电流环、转速环的PI参数，让电流、转速的波动降至最小；
2)将电机10的转速升至额定转速，然后以一个定值，例如5N.m，为单位逐步增加给定转矩；每次加负载时，首先将d轴电流降为0，此时电机的输出力矩为q轴电流与转子磁链产生的电磁转矩并无磁阻转矩，电流稳定后逐渐减小d轴电流，观察当定子的合成电流降至最小时记录此时的d、q轴电流和与其相对应的负载转矩；采用MTPA（最大转矩电流比）的方式确保定子单位电流输出转矩最大。
3)根据测得的d、q轴电流参数与相应的负载转矩制作转矩-电流表格11，如表1所示，将其写入控制程序中，如图3所示，当给定转矩传入控制器时，直接由查表给出d、q轴电流给定，完成对永磁同步电机输出转矩的精确控制。
表1
| 负载转矩（N.m） | d轴电流(A) | q轴电流(A) |
| 5 | -2.5 | 9.8 |
| 10 | -4.5 | 18 |
| 15 | -5.5 | 27 |
| 20 | -9.7 | 34 |
| 25 | -15 | 42 |
| 30 | -20 | 48 |
| 35 | -25 | 57 |
| 40 | -28 | 62 |
| 45 | -35 | 67 |
| 50 | -41 | 73 |
| 55 | -47 | 78 |
| 60 | -52 | 83 |
表2（电机转速在500r/min时）
| 实测 | 5N | 10N | 15N | 20N | 25N | 30N | 35N | 40N | 45N | 50N | 55N | 60N |
| 估算 | 5.1N | 10.1N | 14.7N | 19.5N | 25.3N | 30.6N | 36N | 41N | 46.1N | 50.9N | 56N | 60.4N |
表3（电机转速在1000r/min时）
| 实测 | 5N | 10N | 15N | 20N | 25N | 30N | 35N | 40N | 45N | 50N | 55N | 60N |
| 估算 | 5.8N | 10.3N | 15.7N | 19.4N | 25.8N | 31.4N | 36.4N | 41.1N | 46N | 51.2N | 56N | 61.6N |
表4（电机转速在1500r/min时）
| 实测 | 5N | 10N | 15N | 20N | 25N | 30N | 35N | 40N | 45N | 50N | 55N | 60N |
| 估算 | 6.2N | 10.7N | 15.5N | 20.6N | 25.7N | 31.2N | 36.6N | 41N | 46.2N | 51.3N | 56.6N | 61N |
表2、表3、表4中的数据为电机转速在500r/min、1000r/min、1500r/min时，系统的估算转矩与实测转矩。由表中可以得出：电机估算转矩与实际负载转矩相一致，误差不超过5%，能够满足牵引系统的转矩输出要求。
如图1所示，是一种永磁同步电机转矩参数测量装置，用于测量永磁同步电机10的转矩参数，该装置包括直流稳压电源12、逆变器6、驱动控制器13、编码器9、扭矩仪14及测功机15，测功机15通过扭矩仪14与永磁同步电机10的输出轴相连，扭矩仪14分别通过联轴器与永磁同步电机10及测功机15相连。永磁同步电机10与编码器9、驱动控制器13及逆变器6之间构建成电流、转速双闭环控制系统，逆变器6与直流稳压电源12相连。
驱动控制器13包括转速环PI调节器1、q轴电流环调节器2、d轴电流环调节器3、PARK逆变换模块4、SVPWM模块5、PARK变换模块7及CLAKE变换模块8，如图2、图3所示。转速环PI调节器1、q轴电流环调节器2、PARK逆变换模块4、SVPWM模块5、逆变器6、永磁同步电机10与编码器9构成转速闭环控制系统，d轴电流环调节器3、PARK逆变换模块4、SVPWM模块5、逆变器6、CLAKE变换模块8及PARK变换模块7构成电流闭环控制系统。
其中：转速环PI调节器1用于加快转速响应时间，调节稳态进度；电流环调节器2、3用于加快电流响应时间，调节稳态进度；PARK逆变换模块4用于将数据从旋转两相坐标轴转换到静止两相坐标轴；SVPWM模块5用于计算空间矢量PWM；PARK变换模块7用于将数据从静止两相坐标轴转换到旋转两相坐标轴；CLAKE变换模块8用于将数据从三相坐标轴转换到静止两相坐标轴。
Claims (6)
1.一种永磁同步电机转矩参数测量方法，其特征是，包括以下步骤：
1) 将永磁同步电机、编码器、CLAKE变换模块、PARK变换模块、PI调节器、PARK逆变换模块、SVPWM模块及逆变器构建成电流、转速双闭环控制系统，调节电流环、转速环的PI参数，让电流、转速的波动降至最小；
2)将电机转速升至额定转速，然后以一个定值为单位逐步增加给定转矩；每次加负载时，首先将d轴电流降为0，此时电机的输出力矩为q轴电流与转子磁链产生的电磁转矩并无磁阻转矩，电流稳定后逐渐减小d轴电流，观察当定子的合成电流降至最小时记录此时的d、q轴电流和与其相对应的负载转矩；
3)根据测得的d、q轴电流参数与相应的负载转矩制作转矩-电流表格，将其写入控制程序中，当给定转矩传入控制器时，直接由查表给出d、q轴电流给定，完成对永磁同步电机输出转矩的精确控制。
2.按照权利要求1所述的永磁同步电机转矩参数测量方法，其特征是：所述步骤2)中以5N.m这一定值为单位逐步增加给定转矩。
3.按照权利要求1所述的永磁同步电机转矩参数测量方法，其特征是：所述步骤2)中采用MTPA的方式确保定子单位电流输出转矩最大。
4.一种永磁同步电机转矩参数测量装置，用于测量永磁同步电机（10）的转矩参数，其特征是：所述装置包括直流稳压电源（12）、逆变器（6）、驱动控制器（13）、编码器（9）、扭矩仪（14）及测功机（15），所述测功机（15）通过所述扭矩仪（14）与所述永磁同步电机（10）的输出轴相连，所述永磁同步电机（10）与所述编码器（9）、所述驱动控制器（13）及所述逆变器（6）之间构建成电流、转速双闭环控制系统，所述逆变器（6）与所述直流稳压电源（12）相连。
5.按照权利要求4所述的永磁同步电机转矩参数测量装置，其特征是：所述驱动控制器（13）包括转速环PI调节器（1）、q轴电流环调节器（2）、d轴电流环调节器（3）、PARK逆变换模块（4）、SVPWM模块（5）、PARK变换模块（7）及CLAKE变换模块（8），所述转速环PI调节器（1）、所述q轴电流环调节器（2）、所述PARK逆变换模块（4）、所述SVPWM模块（5）、所述逆变器（6）、所述永磁同步电机（10）与所述编码器（9）构成所述转速闭环控制系统，所述d轴电流环调节器（3）、所述PARK逆变换模块（4）、所述SVPWM模块（5）、所述逆变器（6）、所述CLAKE变换模块（8）及所述PARK变换模块（7）构成所述电流闭环控制系统。
6.按照权利要求4所述的永磁同步电机转矩参数测量装置，其特征是：所述扭矩仪（14）分别通过联轴器与所述永磁同步电机（10）及所述测功机（15）相连。
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