CN107883990B - 电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法及系统 - Google Patents

电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法，包括：在永磁同步电机达到并稳定于给定正向转速值时，记录给定电流矢量与永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第一夹角；在永磁同步电机达到并稳定于给定反向转速值时，记录给定电流矢量与永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第二夹角；计算所述第一夹角和所述第二夹角的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。本发明实施例的有益效果在于：实现了转速闭环下测量，可以消除或抑制摩擦力、齿槽转矩等非理想因素对对旋转变压器零位标定的影响，测量精度高，还可以在被标定电机处于车载状态的情况下进行标定。

Description

电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法及系统
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法及系统。
背景技术
电动汽车中的永磁同步电机控制离不开转子位置信号，转子位置信号的精度对电机的驱动性能有着重要影响。目前广泛采用旋转变压器作为位置检测装置。旋转变压器定子安装在电机定子侧，转子固定于电机转子上同轴旋转，和电机组成一体。
控制器控制永磁同步电机运转时，需要知道电机转子相对于电机定子的转角，即图1中的
Figure GDA0002316288440000011
但是旋转变压器读数
Figure GDA0002316288440000012
是旋转变压器转子相对定子的读数，两个读数之间存在一个偏差θ0，即
Figure GDA0002316288440000013
偏差θ0和电机装配有关，由于在电机生产过程中，很难保证偏差θ0的一致性，因此旋变装配到电机上后，偏差θ0几乎是随机的，需要逐个标定偏差θ0。
目前常用的旋转变压器零位校准方法有如下几种：
采用两个隔离电压传感器采集线电压信息，判断电机转子位于实际零位时线电压是否达到最大值，通过不断调整旋变零位初始值来确定最终的旋变零位偏置。此方法需要原动机拖动进行旋转并恒定至1000rpm，有两相中需要串接隔离电压传感器。
联合汽车电子的一种旋变零位标定方法(CN201210492229.2)中对三相电压进行采样，通过微处理器对三相电压数字信号上升沿和下降沿时刻所对应的角度，同旋变角度信号在同一时刻的角度相减，得到多个上升沿和下降沿时刻的角度差值，取其平均值为旋变零位偏置。此方法中同样需要设备拖动电机旋转，每一相电压采集都需要两个采样电阻。
浙江云迪电气的一种旋变零位标定方法(CN 106301133A)中通过电机控制器对电机施加不同的电压矢量，采集不同的电机矢量对应的旋变角度，得到不同电压矢量角度与对应旋变角度的差值，取多次测量的平均值作为旋变零位偏置。此方法存在的问题是没有考虑电机转动时的摩擦力、齿槽转矩等影响因素，测量结果不够准确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有较高精度的电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法及系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法，包括：
接收永磁同步电机的给定正向电流矢量幅值，以及给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令；
按照所述调节命令对所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的夹角进行调节，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定转速值时，记录所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第一夹角；
接收永磁同步电机的给定反向电流矢量幅值，以及给定反向电流矢量与所述预设永磁同步电机转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令；
按照所述调节命令对所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的夹角进行调节，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定转速值时，记录所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第二夹角；
计算所述第一夹角和所述第二夹角的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
其中，所述零位标定方法还包括：
分别对记录的所述第一夹角和所述第二夹角进行低通滤波，获得所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值；
计算所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
其中，所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令是将永磁同步电机的给定正向转速值与通过旋转变压器得到的永磁同步电机的实际转速值之间的差值进行比例积分校正后获得，所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令是将永磁同步电机的给定反向转速值与通过旋转变压器得到的永磁同步电机的实际转速值之间的差值进行比例积分校正后获得。
其中，所述预设转子坐标系是以旋转变压器原始读数作为坐标变换参数进行Park变换得到，其d轴正向和永磁同步电机定子坐标A相所成夹角为旋转变压器原始读数。
其中，所述给定正向电流矢量幅值和所述给定反向电流矢量幅值相等。
本发明还提供一种电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定系统，包括：
控制模块，用于分别接收永磁同步电机的给定正向电流矢量幅值或给定反向电流矢量幅值，以及给定正向电流矢量或给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令，并按照所述调节命令分别对所述给定正向电流矢量或所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的夹角进行调节，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定正向转速值时，记录所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第一夹角，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定反向转速值时，记录所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第二夹角，并计算所述第一夹角和所述第二夹角的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
其中，所述零位标定系统还包括：
低通滤波器，用于所述第一夹角和所述第二夹角进行低通滤波，获得所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值；
所述控制模块还用于计算所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
其中，所述零位标定系统还包括：
差分器，用于将永磁同步电机的给定正向转速值或给定反向转速值与通过旋转变压器得到的永磁同步电机的实际转速值进行相减，获得转速差值；
转速比例积分调节器，用于对所述转速差值进行比例积分调节，得到所述给定正向电流矢量或所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机转子坐标系的d轴负半轴所成夹角命令。
其中，所述预设转子坐标系是以旋转变压器原始读数作为坐标变换参数进行Park变换得到，其d轴正向和永磁同步电机定子坐标A相所成夹角为旋转变压器原始读数。
其中，所述给定正向电流矢量幅值和所述给定反向电流矢量幅值相等。
本发明实施例的有益效果在于：实现了转速闭环下测量，可以消除或抑制摩擦力、齿槽转矩等非理想因素对对旋转变压器零位标定的影响，测量精度高，还可以在永磁同步电机处于车载状态的情况下进行标定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是永磁同步电机转子转角与旋转变压器读数的关系示意图。
图2是本发明实施例一一种电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法的流程示意图。
图3是本发明实施例一的工作原理示意图。
图4是实施本发明实施例的控制原理框图。
图5是实施本发明实施例的系统框图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
请参照图2所示，本发明实施例一提供一种电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法，包括：
接收永磁同步电机的给定正向电流矢量幅值，以及给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令；
按照所述调节命令对所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的夹角进行调节，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定转速值时，记录所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第一夹角；
接收永磁同步电机的给定反向电流矢量幅值，以及给定反向电流矢量与所述预设永磁同步电机转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令；
按照所述调节命令对所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的夹角进行调节，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定转速值时，记录所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第二夹角；
计算所述第一夹角和所述第二夹角的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
请结合图3所示，本实施例电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法的基本工作原理如下：
图3中DQ表示真实的永磁同步电机的转子dq轴方向，D0Q0表示将旋转变压器原始读数作为坐标变换参数进行Park变换得到的永磁同步电机的预设转子坐标系，此时D0轴和A相之间的夹角为旋转变压器原始读数，因此DQ坐标系与D0Q0坐标系间的夹角θ0即为旋转变压器的零位偏移角。
永磁同步电机在达到给定的正向转速值并稳定后，由于存在转动摩擦力等阻力因素，给定正向电流矢量Isp会稳定于与d轴负半轴呈θp夹角(即第一夹角)的位置。当电机反转稳定后，给定反向电流矢量Isn会稳定于与d轴负半轴呈θn角(即第二夹角)的位置。因为Isp与Isn幅值相同，因此两个矢量对应的电机转矩只和他们相对于d轴的矢量角有关。由于电机相同转速下正转和反转时的摩擦力相等，转速稳定的时候，摩擦力又和电机电动转矩相同，因此根据对称性，必然有：
θ0-θn＝θp-θ0
整理得：θ0＝(θp+θn)/2，即获得第一夹角θp和第二夹角θn后，求二者的平均值，即可获得旋转变压器的零位偏移角θ0。此时正转和反转时摩擦力造成的影响刚好抵消，因此本实施例的零位标定方法可以很好地抑制电机摩擦力对标定结果的影响。
需要说明的是，d轴负半轴所在坐标系是以旋转变压器原始读数作为坐标变换参数，将永磁同步电机的真实转子坐标系进行Park坐标变换获得。
由于标定过程中电机在转动，因此电机转速稳定后，由于齿槽转矩等因素的影响会使电流矢量Is的矢量角产生周期性波动，这些波动通过低通滤波后几乎可以被完全消除。因此，本实施例进一步对第一夹角θp和第二夹角θn进行低通滤波，获得第一夹角低通滤波值和第二夹角低通滤波值，然后计算第一夹角低通滤波值和第二夹角低通滤波值的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。由于计算零位偏移角的时候采用的是经过低通滤波后的矢量角，因此标定结果几乎不再受到齿槽转矩的影响。由此也可以看出，本实施例的零位标定方法可以消除摩擦力、齿槽转矩等非理想因素对旋转变压器零位标定的影响，能够实现高精度的标定。此外，由于本实施例的标定方法所需的软硬件在车载情况下都具备，因此可以在永磁同步电机处于车载状态的情况下进行标定。
再请同时参照图4、图5所示，其中，图4为实施本发明实施例的控制原理框图，图5为实施本实施例的系统框图，实施本实施例时，将利用图4所示的控制框图让图5所示系统开始运行。
首先，将永磁同步电机的给定转速值与通过旋转变压器得到的实际转速值进行相减，得到转速差值(ωm *-ωm，包括正向转速差值、反向转速差值)，再将转速差值通过转速PI调节器进行比例积分校正后获得给定正向电流矢量或给定反向电流矢量与所述永磁同步电机转子的d轴负半轴所成夹角的调节命令(图4中以θ*表示)。前述调节命令和给定电流矢量Is(包括给定正向电流矢量Isp和给定反向电流矢量Isn)均作为控制模块的输入信号。
由于通过旋转变压器得到的实际转速值一直处于变化阶段，前述转速差值随之一直在变化，控制模块按照前述调节命令调节给定电流矢量与d轴负半轴之间的夹角也同样在变化，当永磁同步电机在达到给定转速值并稳定时，如前所述，给定电流矢量与d轴负半轴之间的夹角将稳定于与d轴负半轴呈某个夹角的位置，控制模块分别记录这个夹角，即作为第一夹角(当永磁同步电机在达到并稳定于给定正向转速值时)和第二夹角(当永磁同步电机在达到并稳定于给定反向转速值时)。同样地，对第一夹角和第二夹角进行低通滤波，获得第一夹角低通滤波值和第二夹角低通滤波值，然后计算第一夹角低通滤波值和第二夹角低通滤波值的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
进一步地，可按照下述公式计算得到d轴和q轴电流：
id *＝-Is×cosθ*
iq *＝Is×sinθ*
然后，d轴电流id *与三相电流(ia、ib、ic)经Clark-Park坐标变换模块计算得到的反馈值id作比较，再通过电机电流反馈控制模块中的d轴电流PI调节器调节后得到d轴电压ud *；同样，q轴电流iq *与三相电流(ia、ib、ic)经Clark-Park坐标变换模块计算得到的反馈值iq作比较，再通过电机电流反馈控制模块中的q轴电流PI调节器调节后得到q轴电压uq *。
d轴电压ud *和q轴电压uq *经过Park坐标变换分别得到α轴电压uα *和β轴电压uβ *，再分别输入空间矢量脉宽调制SVPWM模块计算得到三相逆变器桥臂占空比，最终控制电机运行。该三相逆变器桥臂占空比是SVPWM产生逆变器开关信号的一个过程量，任何SVPWM中都会计算得到该占空比。图4所示的SVPWM仅为举例，还可以是其他脉宽调制方式，例如正弦脉宽调制SPWM。
需要说明的是，图4、图5所示为具体实施本发明实施例的过程，但是，计算三相逆变器桥臂占空比并不影响本发明实施例中对零位偏移角的计算。本发明实施例的标定方法是在上述运行过程中，待永磁同步电机在达到给定的正向转速值并稳定时、达到给定的反向转速值并稳定时，分别记录给定电流矢量与永磁同步电机转子的d轴负半轴所成的夹角(包括进一步的低通滤波值)，再求二者的平均值，从而获得旋转变压器的零位偏移角。
相应于本发明实施例一，本发明实施例二提供一种电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定系统，包括：
控制模块，用于分别接收永磁同步电机的给定正向电流矢量幅值或给定反向电流矢量幅值，以及给定正向电流矢量或给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令，并按照所述调节命令分别对所述给定正向电流矢量或所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的夹角进行调节，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定正向转速值时，记录所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第一夹角，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定反向转速值时，记录所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第二夹角，并计算所述第一夹角和所述第二夹角的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
其中，所述零位标定系统还包括：
低通滤波器，用于所述第一夹角和所述第二夹角进行低通滤波，获得所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值；
所述控制模块还用于计算所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
其中，所述零位标定系统还包括：
差分器，用于将永磁同步电机的给定正向转速值或给定反向转速值与通过旋转变压器得到的永磁同步电机的实际转速值进行相减，获得转速差值；
转速比例积分调节器，用于对所述转速差值进行比例积分调节，得到所述给定正向电流矢量或所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机转子坐标系的d轴负半轴所成夹角命令。
其中，所述预设转子坐标系是以旋转变压器原始读数作为坐标变换参数进行Park变换得到，其d轴正向和永磁同步电机定子坐标A相所成夹角为旋转变压器原始读数。
其中，所述给定正向电流矢量幅值和所述给定反向电流矢量幅值相等。
通过上述说明可知，本发明带来的有益效果在于，实现了转速闭环下测量，可以消除或抑制摩擦力、齿槽转矩等非理想因素对对旋转变压器零位标定的影响，测量精度高，还可以在永磁同步电机处于车载状态的情况下进行标定。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定方法，包括：
接收永磁同步电机的给定正向电流矢量幅值，以及给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令；
按照所述调节命令对所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的夹角进行调节，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定转速值时，记录所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第一夹角；
接收永磁同步电机的给定反向电流矢量幅值，以及给定反向电流矢量与所述预设永磁同步电机转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令；
按照所述调节命令对所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的夹角进行调节，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定转速值时，记录所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第二夹角；
计算所述第一夹角和所述第二夹角的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
2.根据权利要求1所述的零位标定方法，其特征在于，还包括：
分别对记录的所述第一夹角和所述第二夹角进行低通滤波，获得所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值；
计算所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
3.根据权利要求1所述的零位标定方法，其特征在于，所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令是将永磁同步电机的给定正向转速值与通过旋转变压器得到的永磁同步电机的实际转速值之间的差值进行比例积分校正后获得，所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令是将永磁同步电机的给定反向转速值与通过旋转变压器得到的永磁同步电机的实际转速值之间的差值进行比例积分校正后获得。
4.根据权利要求1所述的零位标定方法，其特征在于，所述预设转子坐标系是以旋转变压器原始读数作为坐标变换参数进行Park变换得到，其d轴正向和永磁同步电机定子坐标A相所成夹角为旋转变压器原始读数。
5.根据权利要求1所述的零位标定方法，其特征在于，所述给定正向电流矢量幅值和所述给定反向电流矢量幅值相等。
6.一种电动汽车用永磁同步电机旋转变压器零位标定系统，其特征在于，包括：
控制模块，用于分别接收永磁同步电机的给定正向电流矢量幅值或给定反向电流矢量幅值，以及给定正向电流矢量或给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成夹角的调节命令，并按照所述调节命令分别对所述给定正向电流矢量或所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的夹角进行调节，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定正向转速值时，记录所述给定正向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第一夹角，在所述永磁同步电机达到并稳定于所述给定反向转速值时，记录所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机预设转子坐标系的d轴负半轴所成的第二夹角，并计算所述第一夹角和所述第二夹角的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
7.根据权利要求6所述的零位标定系统，其特征在于，还包括：
低通滤波器，用于所述第一夹角和所述第二夹角进行低通滤波，获得所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值；
所述控制模块还用于计算所述第一夹角低通滤波值和所述第二夹角低通滤波值的平均值，获得旋转变压器的零位偏移角。
8.根据权利要求7所述的零位标定系统，其特征在于，还包括：
差分器，用于将永磁同步电机的给定正向转速值或给定反向转速值与通过旋转变压器得到的永磁同步电机的实际转速值进行相减，获得转速差值；
转速比例积分调节器，用于对所述转速差值进行比例积分调节，得到所述给定正向电流矢量或所述给定反向电流矢量与所述永磁同步电机转子坐标系的d轴负半轴所成夹角命令。
9.根据权利要求6所述的零位标定系统，其特征在于，所述预设转子坐标系是以旋转变压器原始读数作为坐标变换参数进行Park变换得到，其d轴正向和永磁同步电机定子坐标A相所成夹角为旋转变压器原始读数。
10.根据权利要求6所述的零位标定系统，其特征在于，所述给定正向电流矢量幅值和所述给定反向电流矢量幅值相等。
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