CN106712620A - 永磁同步电机转矩计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种永磁同步电机转矩计算方法及装置，属于电机技术领域。所述永磁同步电机转矩计算方法包括：根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流；根据两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流；根据转子坐标系下的磁链和电流计算得出电机的转矩。本发明的永磁同步电机转矩计算方法及装置准确的计算出永磁同步电机的转矩。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种永磁同步电机转矩计算方法及装置。
背景技术
永磁同步电机的发展得益于电力电子技术和现代控制理论的发展，永磁同步电机采用永久磁铁产生气隙磁通而不需要外部励磁，具有极高的功率密度以及转矩/惯量比，并且它还具有体积小、重量轻、能量转换效率高、运行可靠性高、调速范围广等优点，正日益得到越来越广泛的应用。尤其在机器人、航空航天、雷达天线、精密电子仪器设备、薄膜分切机、数控机床、卷绕机械、电动汽车、电梯、船舶潜艇等领域得到广泛应用。例如在电动汽车领域，电机转矩的计算值是发送给整车以作为整车控制的一个重要参考数据。转矩的计算值还用于控制器的故障诊断和功能安全实现，确保控制器以及整车的安全运行。综合来看，转矩的计算值对电动汽车而言，不仅是保证控制性能的要求，更是一项重要的安全性特征。
目前，控制永磁同步电机的方式主要有两种，一种是直接转矩控制方式，另一种是传统矢量控制方式。在永磁同步电机直接转矩控制中，由于转矩计算值与转矩指令的差值将直接参与PWM指令的形成，可见，准确计算转矩值是实现其良好控制的基本要求。在永磁同步电机的传统矢量控制中，虽然转矩的计算值不参与控制算法，但为了改善扭矩脉动现象，可以将转矩的计算值反馈回来，根据其与转矩指令的差值对后续的电流指令进行补偿，从而形成转矩的闭环控制，因此，准确计算转矩值也是非常重要的。
现有的永磁同步电机转矩计算方法大体可分为三种：能量守恒估计法、电流模型估计法、电压模型估计法。
能量守恒估计法基于电机的电能输入等于机械能输出与电机各种损耗之和的理论，利用电能输入的增量来求取转矩值。计算公式如公式(1)和公式(2)所示。此种方法比较简单，但由于各个工况下，电机的效率差别很大，各种损耗的大小也会改变，其对很多条件做了理想化的近似处理，求得的转矩值精度不高，因此，此种方法很难准确地计算出转矩。
Pin＝Pmech+Pcu+PFe+Ps (1)
Pmech＝ωm*Te (2)
其中，Pin为电机的电能输入，Pmech为负载功率，Pcu为电机定子的电阻消耗功率，PFe为电机绕组电感内磁场储能损耗，Ps为其它附加损耗，ωm为电机的角速度，Te为转矩。
电流模型估计法基于由转子坐标系下的电流、电机电感和永磁磁链表示的转矩公式，如公式(3)所示。其中，转子坐标系下的电流由电流传感器采集的电机三相电流和旋变传感器采集的电机角度值计算得出；电机电感和永磁磁链通过离线测得。该方法是电动汽车领域电机转矩计算比较常用的一种方法。该方法需要旋变传感器测量电机角度，并需要离线测得电机电感和永磁磁链，从而电机转矩计算的准确度严重依赖于电机角度、电机电感和永磁磁链的准确度。因此，此种方法也很难准确地计算出转矩。
Te＝1.5p(λmiq+(Ld-Lq)idiq) (3)
其中，Te为转矩，p为电机极对数，λm为永磁磁链，id为直轴电流，iq为交轴电流，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感。
电压模型估计法基于由电机电流和磁链表示的转矩公式(4)和(5)，但是不论是由两相静止坐标系下的电流和磁链计算公式(4)，还是由转子旋转坐标系下的电流和磁链计算公式(5)，都需要先估算电机的电压。
Te＝1.5p(λαiβ-λβiα) (4)
Te＝1.5p(λdiq-λqid) (5)
其中，Te为转矩，p为电机极对数，λα、λβ为αβ坐标系(两相静止坐标系)下定子磁链分量，iα、iβ为αβ坐标系下定子电流分量，λd为转子(旋转)坐标系下定子直轴磁链分量，λq为定子交轴磁链分量，id为定子直轴电流分量，iq为定子交轴电流分量。
其中，电机的电压估算方法如下：首先，在每个周期，根据三相电流的正负极性从发给开关管的6个PWM信号中筛选3个可用于电压估算的PWM信号(考虑死区补偿)；然后根据3个被筛选的PWM信号计算此周期的三相交流电压Ua、Ub、Uc；最后对三相交流电压Ua、Ub、Uc进行坐标变换求得两相静止坐标系下的电机的电压值uα和uβ。如果采用公式(4)进行转矩计算，则需根据uα、uβ和ia、iβ求出λα、λβ，即采用公式(6)对电压和电流进行积分得出磁链λα、λβ，然后根据公式(4)计算出转矩。
其中，Rs为定子电阻值，μα、μβ为αβ坐标系下电机的电压，λα、λβ为αβ坐标系下定子磁链分量，λα0、λβ0为αβ坐标系下定子磁链分量的初始值。但由于积分造成误差的累加，此方法构建的系统很难稳定，因此采用此方法计算转矩值的准确度也较低。
发明内容
本发明提供一种永磁同步电机转矩计算方法及装置，能够准确的计算出永磁同步电机的转矩。
所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种永磁同步电机转矩计算方法，其包括：根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流；根据两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流；根据转子坐标系下的磁链和电流计算得出电机的转矩。
在本发明较佳的实施例中，所述电机转矩的计算公式为：Te＝1.5p(λdiq-λqid)，其中，Te为转矩，p为电机极对数，λd为转子坐标系下定子直轴磁链分量，λq为定子交轴磁链分量，id为定子直轴电流分量，iq为定子交轴电流分量。
在本发明较佳的实施例中，根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，还包括：在每个周期，根据三相电流的正负极性从发给开关管的PWM信号中筛选3个用于电压估算的PWM信号；然后根据3个被筛选的PWM信号计算此周期的三相交流电压；最后对三相交流电压进行坐标变换求得两相静止坐标系下的电压。
本发明实施例还提供了一种永磁同步电机转矩计算装置，其包括：电压和电流计算模块，用于根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流；磁链计算模块，用于根据所述两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流；电机转矩计算模块，用于根据所述转子坐标系下的磁链和电流计算得出所述电机的转矩。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流；根据两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流；根据转子坐标系下的磁链和电流计算得出电机的转矩。本发明所采用的电机转矩计算方法不需要使用旋变传感器来测量电机角度，避免了由于旋变值的错误而造成的转矩估算错误，同时，一般情况下，控制周期和其他延时对转子坐标系下的磁链λd、λq和电流id、iq的影响不大，而基于磁链的MRAS方法又可以准确地对磁链λd、λq进行跟踪，从而相比其它方法，可以更准确地计算出转矩值，更好地进行扭矩监控，适用于永磁同步电机的高精度控制，安全性和可靠性高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的永磁同步电机转矩计算方法的流程图；
图2为采用图1的电机转矩计算方法得到的转矩和实际转矩的仿真波形图；
图3是本发明第二实施例提供的永磁同步电机转矩计算装置的主要架构框图；
图4为图3的转矩计算装置中的磁链计算模块和电机转矩计算模块的结构框图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的永磁同步电机转矩计算方法及装置其具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
图1是本发明第一实施例提供的永磁同步电机转矩计算方法的流程图。该方法可以由永磁同步电机转矩计算装置所执行的转矩计算过程；所述永磁同步电机转矩计算方法，可包括以下步骤101-105：
步骤101，根据电机控制器开关管(例如6路开关管)的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流。
上述计算电压和电流的方法还可以与现有的电压模型估计法中的计算方法相同，即首先在每个计算周期里，根据三相电流的正负极性从发给开关管的6个PWM信号中筛选3个可用于电压估算的PWM信号(考虑死区补偿)；然后根据3个被选的PWM信号计算此周期的三相交流电压Ua、Ub、Uc；最后对三相交流电压Ua、Ub、Uc进行坐标变换求得两相静止坐标系下的电机的电压值uα和uβ。其中，占空比即PWM信号的占空比，电机控制器开关管用于控制电机进行运转。
步骤103，根据两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流。
其中，转子坐标系下的磁链λd、λq由磁链MRAS方法得出，如下面公式所示。该公式还同时可以根据估算的电机的速度和角度值，从而将两相静止坐标系下的电流ia、iβ换算为转子坐标系下的电流id、iq，用于磁链MRAS方法以及步骤105中的转矩估算。
，其中，λm为永磁磁链，λd、λq分别为定子直轴和交轴磁链分量，分别为直轴(d轴)和交轴(q轴)磁链的估算值，分别为对直轴和交轴磁链的估算值的微分，分别为直轴、交轴磁链估算误差动态值，为对的微分，为对的微分，Rs为定子电阻值，vd为直轴电压，vq为交轴电压，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，id为定子直轴电流分量，iq为定子交轴电流分量，分别为直轴、交轴电流分量估算值，ωre为电机角速度值，为电机角速度估算值，为电机角速度估算误差动态值，Kp为PI调节的P参数，KI为PI调节的I参数、S为中间变量，K、φ为系数，sign(S)是对中间变量S进行正负值判断，若S为正，则sign(S)为1，若S为负，则sign(S)为-1。
步骤105，根据转子坐标系下的磁链和电流计算得出电机的转矩。
本步骤中，电机转矩的计算公式为：Te＝1.5p(λdiq-λqid)，其中，Te为转矩，p为电机极对数，λd为转子(旋转)坐标系下定子直轴磁链分量，λq为定子交轴磁链分量，id为定子直轴电流分量，iq为定子交轴电流分量。
如图2所示，经过试验验证，采用本发明实施例方法计算的电机转矩曲线201(白色曲线)接近于实际转矩曲线202(灰色曲线)，说明本发明实施例的转矩计算方法精确度高。
综上所述，本实施例提供的永磁同步电机转矩计算方法，通过根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流；根据两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流；根据转子坐标系下的磁链和电流计算得出电机的转矩。本发明所采用的电机转矩计算方法不需要使用旋变传感器来测量电机角度，避免了由于旋变值的错误而造成的转矩估算错误，同时，一般情况下，控制周期和其他延时对转子坐标系下的磁链λd、λq和电流id、iq的影响不大，而基于磁链的MRAS方法又可以准确地对磁链λd、λq进行跟踪，从而相比其它方法，可以更准确地计算出转矩值，更好地进行扭矩监控，适用于永磁同步电机的高精度控制，安全性和可靠性高。
以下为本发明的装置实施例，在方法实施例中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的方法实施例。
第二实施例
请参考图3及图4，图3是本发明第二实施例提供的永磁同步电机转矩计算装置的主要架构框图。图4为图3的转矩计算装置中的磁链计算模块的结构框图。所述永磁同步电机转矩计算装置，包括：电压和电流计算模块301、磁链计算模块303、电机转矩计算模块305。
具体地，电压和电流计算模块301，用于根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流；
磁链计算模块303，用于根据两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流；
电机转矩计算模块305，用于根据转子坐标系下的磁链和电流计算得出电机的转矩。
其中，磁链MRAS方法的计算公式见第一实施例中所述，在此不再赘述。磁链计算模块303和电机转矩计算模块305的具体结构如图4所示，图4的结构框图是采用采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流，再根据转子坐标系下的磁链和电流计算得出电机的转矩。电机转矩的计算公式为：Te＝1.5p(λdiq-λqid)，其中，Te为转矩，p为电机极对数，λd为转子(旋转)坐标系下定子直轴磁链分量，λq为定子交轴磁链分量，id为定子直轴电流分量，iq为定子交轴电流分量。
优选地，电压和电流计算模块301，还用于在每个周期，根据三相电流的正负极性从发给开关管的PWM信号中筛选3个用于电压估算的PWM信号；然后根据3个被筛选的PWM信号计算此周期的三相交流电压；最后对三相交流电压进行坐标变换求得两相静止坐标系下的电压。
综上所述，本实施例提供的永磁同步电机转矩计算装置，通过根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流；根据两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流；根据转子坐标系下的磁链和电流计算得出电机的转矩。本发明所采用的电机转矩计算方法不需要使用旋变传感器来测量电机角度，避免了由于旋变值的错误而造成的转矩估算错误，同时，一般情况下，控制周期和其他延时对转子坐标系下的磁链λd、λq和电流id、iq的影响不大，而基于磁链的MRAS方法又可以准确地对磁链λd、λq进行跟踪，从而相比其它方法，可以更准确地计算出转矩值，更好地进行扭矩监控，适用于永磁同步电机的高精度控制，安全性和可靠性高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种永磁同步电机转矩计算方法，其特征在于，其包括：
根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流；
根据所述两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流；
根据所述转子坐标系下的磁链和电流计算得出所述电机的转矩。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩计算方法，其特征在于，所述磁链MRAS方法的计算公式为：
，其中，λm为永磁磁链，λd、λq分别为定子直轴和交轴磁链分量，分别为直轴(d轴)和交轴(q轴)磁链的估算值，分别为对直轴和交轴磁链的估算值的微分，分别为直轴、交轴磁链估算误差动态值，为对的微分，为对的微分，Rs为定子电阻值，vd为直轴电压，vq为交轴电压，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，id为定子直轴电流分量，iq为定子交轴电流分量，分别为直轴、交轴电流分量估算值，ωre为电机角速度值，为电机角速度估算值，为电机角速度估算误差动态值，Kp为PI调节的P参数，KI为PI调节的I参数、S为中间变量，K、φ为系数，sign(S)是对中间变量S进行正负值判断，若S为正，则sign(S)为1，若S为负，则sign(S)为-1。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩计算方法，其特征在于，所述电机转矩的计算公式为：Te＝1.5p(λdiq-λqid)，其中，Te为转矩，p为电机极对数，λd为转子坐标系下定子直轴磁链分量，λq为定子交轴磁链分量，id为定子直轴电流分量，iq为定子交轴电流分量。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩计算方法，其特征在于，根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，还包括：
在每个周期，根据三相电流的正负极性从发给开关管的PWM信号中筛选3个用于电压估算的PWM信号；然后根据3个被筛选的PWM信号计算此周期的三相交流电压；最后对三相交流电压进行坐标变换求得两相静止坐标系下的电压。
5.一种永磁同步电机转矩计算装置，其特征在于，其包括：
电压和电流计算模块，用于根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流；
磁链计算模块，用于根据所述两相静止坐标系下的电压和电流，采用磁链MRAS方法，得到转子坐标系下的磁链和电流；
电机转矩计算模块，用于根据所述转子坐标系下的磁链和电流计算得出所述电机的转矩。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机转矩计算装置，其特征在于，所述磁链MRAS方法的计算公式为：
，其中，λm为永磁磁链，λd、λq分别为定子直轴和交轴磁链分量，分别为直轴(d轴)和交轴(q轴)磁链的估算值，分别为对直轴和交轴磁链的估算值的微分，分别为直轴、交轴磁链估算误差动态值，为对的微分，为对的微分，Rs为定子电阻值，vd为直轴电压，vq为交轴电压，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，id为定子直轴电流分量，iq为定子交轴电流分量，分别为直轴、交轴电流分量估算值，ωre为电机角速度值，为电机角速度估算值，为电机角速度估算误差动态值，Kp为PI调节的P参数，KI为PI调节的I参数、S为中间变量，K、φ为系数，sign(S)是对中间变量S进行正负值判断，若S为正，则sign(S)为1，若S为负，则sign(S)为-1。
7.根据权利要求5所述的永磁同步电机转矩计算装置，其特征在于，所述电机转矩的计算公式为：Te＝1.5p(λdiq-λqid)，其中，Te为转矩，p为电机极对数，λd为转子坐标系下定子直轴磁链分量，λq为定子交轴磁链分量，id为定子直轴电流分量，iq为定子交轴电流分量。
8.根据权利要求5所述的永磁同步电机转矩计算装置，其特征在于，所述电压和电流计算模块，还用于在每个周期，根据三相电流的正负极性从发给开关管的PWM信号中筛选3个用于电压估算的PWM信号；然后根据3个被筛选的PWM信号计算此周期的三相交流电压；最后对三相交流电压进行坐标变换求得两相静止坐标系下的电压。
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