CN107681943B - 一种电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法 - Google Patents

一种电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，首先标定电机在某一电压下的电动和发电外特性；再获得电机在该电压下的电动转矩‑转速特性和发电转矩‑转速特性；然后根据电机转矩‑转速特性的测试点数目和电机相电流与电机实际输出扭矩之间的数值关系，采用极值优化算法进行拟合，计算电动和发电转矩‑转速特性中的相电流‑输出扭矩二维表；最后根据电机转速、电机相电流、电机工作状态查询二维表得到驱动电机初始输出扭矩，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值，得出最终输出扭矩。本发明测量过程简单，可离线计算获得相电流‑输出扭矩二维表，在实际应用过程中，通过查表方式直接得到驱动电机初始输出扭矩，实时性佳。

Description

一种电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法
技术领域
本发明属于电动汽车交流驱动电机技术领域，尤其涉及一种电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法。
背景技术
电动汽车使用电池中存储的电能作为唯一的能源供给，具有高效、节能、低噪音及零排放等特点，在节能和环保方面有着不可比拟的优势，因此逐渐成为汽车行业的重要发展趋势之一。驱动电机作为电动汽车的重要组成部分，是实现机械能与电能相互转化的关键，要求其具有优秀的性能。因此电动汽车驱动电机的种类相对较小，产品相对集中。目前，包括永磁同步电机、交流异步电机、开关磁阻电机等电机类型在内的交流电机已经成为驱动电机主流技术。
驱动电机输出扭矩的计算值是发送给整车控制器以作为整车控制的一个重要参数，同时输出扭矩的计算值还用于整车的故障诊断和功能安全实现，确保整车的安全可靠运行。现有的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法主要包括：(1)电流模型估计法；(2)能量守恒估计法；(3)电压模型估计法。其中：
(1)电流模型估计法
现有专利文献1《电动汽车及其扭矩安全监测控制方法和装置》(公开号：CN106143162A，2015.04.03)公开了一种基于电流模型估计法的输出扭矩的计算方法：实际扭矩＝1.5p[ψ*Iq+(Ld-Lq)*Id*Iq]，其中，Ld、Lq为电机电感，Id、Iq为电机扭矩控制电流，p为电机极对数，ψ为磁通量。
该方法需要离线测得电机电感和磁通量，这两个变量的准确度将严重影响驱动电机输出扭矩计算值的准确度。而电机电感和磁通量的实际测量过程较为复杂，假若采用电磁仿真测量的方法则难以保证测量的准确度。因为电机电感与电机扭矩控制电流呈强耦合关系，尤其在磁路饱和时，且电机电感在电机正常工作区间变化较大。同样，磁通量在工作区间也会发生变化，尤其是在深度弱磁控制中。
(2)能量守恒估计法
现有专利文献2《电动汽车驱动系统的输出扭矩监测方法、装置及电动汽车》(公开号：CN106932208A，2017.03.29)在步骤1023中公开了基于能量守恒估计法的输出扭矩的估算方法，实际输出扭矩Ts为该专利中的方法，原理上是直流母线电压与直流母线电流相乘得到的驱动系统输入功率减去电机冷却系统的消耗功率作为驱动系统的实际输入功率来计算电机的输出扭矩。而实际上多数情况下电机冷却系统由整车控制器控制，其消耗功率直接由电池提供，不计在驱动系统输入功率内。
现有专利文献3《汽车的扭矩安全监控方法及系统》(公开号：CN104608763A，2013.11.01)公开的输出扭矩的估算方法，整车控制器根据汽车需求扭矩生成发电机扭矩信号，并发送至电机控制器，并进一步根据动力电池的输出功率和高压负载的耗电功率计算出电机输出的实际扭矩，并根据该实际扭矩判断整车控制器根据汽车的需求扭矩解析得到的电机扭矩是否正确，从而可避免因扭矩解析、信号传递和电机扭矩信号传递过程中出现的错误导致扭矩安全问题的发生，因此，该方法能够提高动力系统扭矩控制的安全性和可靠性，确保汽车行驶过程中的安全。该专利中的方法，原理上是将电池输出功率减去高压负载的耗电功率作为驱动系统的实际输入功率来计算电机的输出扭矩，而实际上电动汽车上的高压负载种类繁多，逐个计算耗电功率较为麻烦，且单个高压负载耗电功率的计算误差满足要求，但是累加之后可能造成计算误差的累积。
(3)电压模型估计法
现有专利文献4《永磁同步电机转矩计算方法及装置》(公开号：CN106712620A，2015.07.16)，公开了一种基于电压模型估计法输出扭矩的估算方法。基本的电压模型估计法需要根据估算的电机电压利用积分公式去计算定子磁链分量，然后再去计算电机输出扭矩。但是由于积分容易造成误差的累积，此方法构建的系统很难稳定。
发明内容
本发明目的是：提供一种可以根据电机运行状态和运行参数快速准确估计电机输出扭矩的方法。
本发明的技术方案是：
一种电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，包括步骤：
1)首先标定电机在某一电压Vbase下的电动和发电外特性；
2)根据标定的电机外特性通过试验标定方法获得电机在该电压下的电动转矩-转速特性和发电转矩-转速特性；
3)根据电机转矩-转速特性的测试点数目和电机相电流与电机实际输出扭矩之间的数值关系，选择合适的电机相电流与电机实际输出扭矩的关系方程阶数，采用极值优化算法进行拟合，分别计算得到电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表，以及所有转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表的集合，即相电流-输出扭矩二维表；
4)根据电机转速、电机相电流、电机工作状态查询相电流-输出扭矩二维表得到驱动电机初始输出扭矩T1，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT，根据初始输出扭矩T1和输出扭矩补偿值ΔT得到驱动电机最终输出扭矩Tact，Tact＝T1+ΔT。
优选的，步骤1中通过试验标定方法或者电磁仿真计算方法标定电机在某一电压Vbase下的电动和发电外特性。
优选的，步骤2获得电机电动转矩-转速特性和发电转矩-转速特性的过程中，转矩-转速特性的转速测试点在驱动电机系统工作转速范围内以固定的转速测试步长确定，转矩-转速特性的扭矩测试点在每个转速测试点上以固定的扭矩测试步长确定；转矩-转速特性的测量参数至少包括直流母线电压、电机转速、电机扭矩指令、相电流、电机实际输出扭矩。
优选的，步骤3中选择电机相电流与电机实际输出扭矩的关系方程阶数为λ，采用极值优化算法进行拟合的步骤包括：
(3-1)设λ次方程为：y＝axλ+bxλ-1+…cx+d，其中x为相电流，单位A，y为电机实际输出扭矩，单位Nm；
(3-2)根据电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的相电流和电机实际输出扭矩数据，求解出电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的a、b、c、d值；
(3-3)根据确定的a、b…c、d值，求解出0≤x≤电机最大相电流范围内以nA为步进的y值，得出电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表；
(3-4)重复步骤(3-2)和(3-3)，得到电动和发电转矩-转速特性中所有转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表的集合，该集合为相电流-输出扭矩二维表；其中根据电动转矩-转速特性计算得到电动相电流-输出扭矩二维表，根据发电转矩-转速特性计算得到发电相电流-输出扭矩二维表。
优选的，步骤4中所述电机工作状态包括电动、发电和空转三种状态，电机工作状态根据电机直流母线值的正负和大小来判断，直流母线值为正且大于电流第一阈值表示电动状态，直流母线值为负且小于电流第二阈值表示发电状态，直流母线值小于等于第一阈值且大于等于第二阈值时表示空转状态；电机工作状态判断为空转状态时，初始输出扭矩T1和输出扭矩补偿值ΔT均为0；电机工作状态判断为电动状态时，初始输出扭矩T1的符号为正；电机工作状态判断为发电状态时，初始输出扭矩T1的符号为负。
优选的，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT时，如果电机转速小于等于转速阈值时，所述输出扭矩补偿值ΔT等于0。
优选的，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT时，如果电机工作状态判断为电动状态且电机转速大于转速阈值时，进一步根据直流母线电压值与确定相电流-输出扭矩二维表的直流电压值Vbase的关系来确定输出扭矩补偿值ΔT；若直流母线电压值大于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为正值，且直流母线电压值大于Vbase的程度越大，则ΔT越大；若直流母线电压值等于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为0；若直流母线电压值小于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为负值，且直流母线电压值小于Vbase的程度越大，则ΔT越小，且保证T1+ΔT>0。
优选的，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT时，如果电机工作状态判断为发电状态且电机转速大于转速阈值时，进一步根据直流母线电压值与确定相电流-输出扭矩二维表的直流电压值Vbase的关系来确定输出扭矩补偿值ΔT；若直流母线电压值大于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为负值，且直流母线电压值大于Vbase的程度越大，则ΔT越小；若直流母线电压值等于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为0；若直流母线电压值小于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为正值，且直流母线电压值小于Vbase的程度越大，则ΔT越大，且保证T1+ΔT<0。
优选的，所述电流第一阈值、电流第二阈值、转速阈值及输出扭矩补偿值ΔT需根据试验标定确定。
本发明的优点是：
(1)本发明根据电机在某一电压下转矩-转速特性中的相电流和电机实际输出扭矩数据，使用极值优化算法得到相电流-输出扭矩二维表；同时根据电机转速、电机相电流、电机工作状态查询相电流-输出扭矩二维表得到驱动电机初始输出扭矩。转矩-转速特性中测量参数的测量过程简单，且用极值优化算法得到相电流-输出扭矩二维表可离线计算获得，存储在控制器中，在实际应用过程中，通过查表方式直接得到驱动电机初始输出扭矩，实时性佳。
(2)本发明根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值，充分考虑了转速和直流电压变化对于电机输出扭矩估计的影响。因此仅需计算得到电机在某一电压下的相电流-输出扭矩二维表即可，即使在其他电压下通过该相电流-输出扭矩二维表计算得到驱动电机初始输出扭矩有所偏差，也能利用输出扭矩补偿值来保证驱动电机输出扭矩的准确度。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所揭示的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，包括以下过程。
1、通过试验标定方法或者电磁仿真计算方法标定电机在某一电压Vbase下的电动和发电外特性，该电压可以选取电机额定电压。
2、根据标定的电机外特性通过试验标定方法获得电机在该电压下的电动转矩-转速特性和发电转矩-转速特性；
(2-1)转矩-转速特性的转速测试点在驱动电机系统工作转速范围内以固定的转速测试步长确定，转矩-转速特性的扭矩测试点在每个转速测试点上以固定的扭矩测试步长确定，转速测试步长和扭矩测试步长的选取需在考虑电机外特性的基础上保证转矩-转速特性中有足够的测试点；
(2-2)转矩-转速特性的测量参数至少包括直流母线电压、电机转速、电机扭矩指令、相电流、电机实际输出扭矩。
3、根据电机转矩-转速特性的测试点数目和电机相电流与电机实际输出扭矩之间的数值关系，选择合适的电机相电流与电机实际输出扭矩的关系方程阶数。一般情况下，关系方程的阶数需大于等于2阶。下面以关系方程的阶数选取为3阶来示例：
(3-1)设三次方程为：y＝ax3+bx2+cx+d，其中x为相电流，单位A，y为电机实际输出扭矩，单位Nm；
(3-2)根据电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的相电流和电机实际输出扭矩数据，采用极值优化算法进行拟合，求解出电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的a、b、c、d值；极值优化算法可以选取为最小二乘法；
(3-3)根据确定的a、b、c、d值，求解出0≤x≤电机最大相电流范围内以1A为步进的y值，得出电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表。该相电流-输出扭矩一维表为一维数组，反映了单个转速测试点上的相电流与电机实际输出扭矩之间的关系；
(3-4)重复步骤(3-2)和(3-3)，得到电动和发电转矩-转速特性中所有转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表的集合，该集合为相电流-输出扭矩二维表，其反映了转速、相电流与电机实际输出扭矩之间的关系；其中根据电动转矩-转速特性计算得到电动相电流-输出扭矩二维表，根据发电转矩-转速特性计算得到发电相电流-输出扭矩二维表。
4、根据电机转速、电机相电流、电机工作状态查询相电流-输出扭矩二维表得到驱动电机初始输出扭矩T1，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT，根据初始输出扭矩T1和输出扭矩补偿值ΔT得到驱动电机最终输出扭矩Tact，Tact＝T1+ΔT。
5、电机工作状态包括电动、发电和空转三种状态，电机工作状态可以根据电机直流母线值的正负和大小来判断，直流母线值为正且大于电流第一阈值表示电动状态，直流母线值为负且小于电流第二阈值表示发电状态，直流母线值小于等于第一阈值且大于等于第二阈值时表示空转状态；电机工作状态判断为空转状态时，初始输出扭矩T1和输出扭矩补偿值ΔT均为0；电机工作状态判断为电动状态时，初始输出扭矩T1的符号为正；电机工作状态判断为发电状态时，初始输出扭矩T1的符号为负。所述电流第一阈值、电流第二阈值、转速阈值及输出扭矩补偿值ΔT需根据试验标定确定。
6、根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT时，如果电机转速小于等于转速阈值时所述输出扭矩补偿值ΔT等于0。
7、根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT时，如果电机工作状态判断为电动状态且电机转速大于转速阈值时，进一步根据直流母线电压值与确定相电流-输出扭矩二维表的直流电压值Vbase的关系来确定输出扭矩补偿值ΔT；若直流母线电压值大于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为正值，且直流母线电压值大于Vbase的程度越大，则ΔT越大；若直流母线电压值等于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为0；若直流母线电压值小于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为负值，且直流母线电压值小于Vbase的程度越大，则ΔT越小，但要保证T1+ΔT>0。
8、根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT时，如果电机工作状态判断为发电状态且电机转速大于转速阈值时，进一步根据直流母线电压值与确定相电流-输出扭矩二维表的直流电压值Vbase的关系来确定输出扭矩补偿值ΔT；若直流母线电压值大于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为负值，且直流母线电压值大于Vbase的程度越大，则ΔT越小；若直流母线电压值等于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为0；若直流母线电压值小于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为正值，且直流母线电压值小于Vbase的程度越大，则ΔT越大，但是T1+ΔT<0。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，其特征在于，包括步骤：
1)首先标定电机在某一电压Vbase下的电动和发电外特性；
2)根据标定的电机外特性通过试验标定方法获得电机在该电压下的电动转矩-转速特性和发电转矩-转速特性；
3)根据电机转矩-转速特性的测试点数目和电机相电流与电机实际输出扭矩之间的数值关系，选择合适的电机相电流与电机实际输出扭矩的关系方程阶数，采用极值优化算法进行拟合，分别计算得到电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表，以及所有转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表的集合，即相电流-输出扭矩二维表；
4)根据电机转速、电机相电流、电机工作状态查询相电流-输出扭矩二维表得到驱动电机初始输出扭矩T1，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT，根据初始输出扭矩T1和输出扭矩补偿值ΔT得到驱动电机最终输出扭矩Tact，Tact＝T1+ΔT。
2.根据权利要求1所述的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，其特征在于，步骤1中通过试验标定方法或者电磁仿真计算方法标定电机在某一电压Vbase下的电动和发电外特性。
3.根据权利要求1所述的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，其特征在于，步骤2获得电机电动转矩-转速特性和发电转矩-转速特性的过程中，转矩-转速特性的转速测试点在驱动电机系统工作转速范围内以固定的转速测试步长确定，转矩-转速特性的扭矩测试点在每个转速测试点上以固定的扭矩测试步长确定；转矩-转速特性的测量参数至少包括直流母线电压、电机转速、电机扭矩指令、相电流、电机实际输出扭矩。
4.根据权利要求3所述的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，其特征在于，步骤3中选择电机相电流与电机实际输出扭矩的关系方程阶数为λ，采用极值优化算法进行拟合的步骤包括：
(3-1)设λ次方程为：y＝axλ+bxλ-1+…cx+d，其中x为相电流，单位A，y为电机实际输出扭矩，单位Nm；
(3-2)根据电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的相电流和电机实际输出扭矩数据，求解出电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的a、b…c、d值；
(3-3)根据确定的a、b…c、d值，求解出0≤x≤电机最大相电流范围内以nA为步进的y值，得出电动和发电转矩-转速特性中单个转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表；
(3-4)重复步骤(3-2)和(3-3)，得到电动和发电转矩-转速特性中所有转速测试点上的相电流-输出扭矩一维表的集合，该集合为相电流-输出扭矩二维表；其中根据电动转矩-转速特性计算得到电动相电流-输出扭矩二维表，根据发电转矩-转速特性计算得到发电相电流-输出扭矩二维表。
5.根据权利要求3所述的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，其特征在于，步骤4中所述电机工作状态包括电动、发电和空转三种状态，电机工作状态根据电机直流母线值的正负和大小来判断，直流母线值为正且大于电流第一阈值表示电动状态，直流母线值为负且小于电流第二阈值表示发电状态，直流母线值小于等于第一阈值且大于等于第二阈值时表示空转状态；电机工作状态判断为空转状态时，初始输出扭矩T1和输出扭矩补偿值ΔT均为0；电机工作状态判断为电动状态时，初始输出扭矩T1的符号为正；电机工作状态判断为发电状态时，初始输出扭矩T1的符号为负。
6.根据权利要求5所述的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，其特征在于，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT时，如果电机转速小于等于转速阈值时，所述输出扭矩补偿值ΔT等于0。
7.根据权利要求5所述的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，其特征在于，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT时，如果电机工作状态判断为电动状态且电机转速大于转速阈值时，进一步根据直流母线电压值与确定相电流-输出扭矩二维表的直流电压值Vbase的关系来确定输出扭矩补偿值ΔT；若直流母线电压值大于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为正值，且直流母线电压值大于Vbase的程度越大，则ΔT越大；若直流母线电压值等于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为0；若直流母线电压值小于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为负值，且直流母线电压值小于Vbase的程度越大，则ΔT越小，且保证T1+ΔT>0。
8.根据权利要求5所述的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，其特征在于，根据电机转速和直流母线电压确定输出扭矩补偿值ΔT时，如果电机工作状态判断为发电状态且电机转速大于转速阈值时，进一步根据直流母线电压值与确定相电流-输出扭矩二维表的直流电压值Vbase的关系来确定输出扭矩补偿值ΔT；若直流母线电压值大于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为负值，且直流母线电压值大于Vbase的程度越大，则ΔT越小；若直流母线电压值等于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为0；若直流母线电压值小于Vbase时，输出扭矩补偿值ΔT为正值，且直流母线电压值小于Vbase的程度越大，则ΔT越大，且保证T1+ΔT<0。
9.根据权利要求6所述的电动汽车交流驱动电机输出扭矩的估计方法，其特征在于，所述电流第一阈值、电流第二阈值、转速阈值及输出扭矩补偿值ΔT需根据试验标定确定。
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