CN108181587A - 永磁同步电机定子直轴电感和交轴电感的标定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了永磁同步电机定子直轴电感和交轴电感的标定方法及装置。以一定电流大小为步长，设定电机相电流大小从初始值到最大输出电流；改变力矩电流角度大小，得到直轴电流和交轴电流的组合指令值；电机控制器驱动电机运行在矢量电流环控制模式下；对于每一组直轴电流和交轴电流指令值和反馈值，通过自动整定PI的方式，调整到稳定的运行状态点；通过功率分析仪和控制台得到变量参数：Vab、Vcb、Ia、Ic、ξAB、ξCB、ωm、T。本发明使用自动化控制的方式控制每个工作点的运行，加快标定的速度和效率；实际使用这些得到的电感参数，能取得比较理想的控制效果。
Description
技术领域
本发明属于混合电动汽车或纯电动汽车技术领域，具体涉及一种混合动力及电动汽车永磁同步电机矢量控制需要使用的直轴电感和交轴电感参数的标定方法及装置。
背景技术
对于电动汽车主流使用的内置式永磁同步电机的矢量控制，直轴电感(Ld)和交轴电感(Lq)是两个关键参数，而且内置式永磁电机参数随运行状态易发生变化，即电机参数的不确定性将影响电机的控制性能，特别是运行在磁路饱和时，电感参数随电机饱和及交叉耦合更加明显，但是因为在线标定需要运行复杂的算法运算，极大增加处理器的负荷，工程上变得不实用，所以需要一种精确的离线标定方法，得到的电感参数供矢量算法查表使用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁同步电机定子直轴电感和交轴电感的标定方法及装置，其目的在于供矢量算法使用，由此解决电机参数的不确定性将影响电机的控制性能的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁同步电机定子直轴电感和交轴电感的标定方法，设置台架测试装置，所述台架测试装置包括：
控制台，所述控制台连接功率分析仪、高压电源、电机控制器、测功机；
所述高压电源连接电机控制器；
所述电机控制器连接被测电机；
所述被测电机连接测功机，在被测电机与测功机的连接线上设有速度/力矩传感器；
所述标定方法包括如下步骤：
第一步：以一定电流大小为步长，设定电机相电流Is大小从初始值到最大输出电流；
第二步：改变力矩电流角度大小，得到直轴电流Ids_cmd和交轴电流Iqs_cmd的组合指令值；
第三步：电机控制器驱动被测电机运行在矢量电流环控制模式下；
第四步：对于每一组直轴电流Id_cmd和交轴电流Iq_cmd指令值和反馈值，通过自动整定PI的方式，调整到稳定的运行状态点；
第五步：通过功率分析仪和控制台得到变量参数：Vab、Vcb、Ia、Ic、ξAB、ξCB、ωm、T，
所述Vab是A，B线电压有效值，
所述Vcb是C，B线电压有效值，
所述Ia是A相电流有效值，
所述Ic是C相电流有效值，
所述ξAB是Vab对Ia的夹角，
所述ξCB是Vcb对Ic的夹角，
所述ωm是电机速度，
所述T是电机实际力矩。
进一步地，对于第四步每一组直轴电流Id_cmd和交轴电流Iq_cmd指令值和反馈值，计算交直轴电流的夹角
其中Ids_fed,Iqs_fed是由相电流经过clark和park变换得到；
通过第五步得到的变量参数Ia、Ic计算出相电流峰值Ipeak，从而由下面变换关系得到Iqs和Ids的实际值：
Iqs＝Ipeak*cosδ
Ids＝-Ipeak*sinδ
根据下面变换得到功率因数角：
通过Vab、Vcb计算出相电压峰值Vpeak，从而由下面变换关系得到Vqs和Vds的实际值：
Vqs＝Vpeak*cos(δ+pf)
Vds＝-Vpeak*sin(δ+pf)。
进一步地，交轴电感的计算公式如下：
其中Rs是电机参数定子电阻，p是电机参数定子极对数
直轴磁链的计算公式如下：
在Ids＝0的时候，永磁磁链ke＝λd，由此得到ke随电流变化的插值表再根据下面直轴电感Ld的变换公式，得到最终的直轴电感：
进一步地，所述力矩电流角度是交轴电流与相电流的夹角，范围从-10度到190度。
按照本发明的另一方面，提供了用于所述标定方法的台测装置，包括：
控制台，所述控制台连接功率分析仪、高压电源、电机控制器、测功机；
所述高压电源连接电机控制器；
所述电机控制器连接被测电机；
所述被测电机连接测功机，在被测电机与测功机的连接线上设有速度/力矩传感器。
进一步地，所述电机控制器连接电源模拟器，所述电源模拟器将交流电转换成直流电。
进一步地，所述测功机包括测控仪、测功机控制室、电力测功机电机，测功机控制室与电力测功机电机通过编码器反馈，测控仪与测功机控制室CANbus通讯。
进一步地，电机测功机电机的轴通过扭矩传感器连接被测电机的轴。
进一步地，所述控制台为系统操作台，系统操作台与功率分析仪通过以太网通讯，系统操作台与测功机通过CANbus通讯。
本发明的有益效果是：所用到的直轴电感Ld和交轴电感Lq的标定方法，实际台架使用时，使用自动化控制的方式控制每个工作点的运行，从而加快标定的速度和效率。而因为以一定电流步长来标定电感参数，实际使用这些得到的电感参数，能取得比较理想的控制效果。
附图说明
图1是台架测试装置示意图；
图2是本发明实施例装置图；
图3是矢量电流环控制模式；
图4是交直轴电流的夹角示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，设置台架测试装置，所述台架测试装置包括：
控制台，所述控制台连接功率分析仪、高压电源、电机控制器、测功机；
所述高压电源连接电机控制器；
所述电机控制器连接被测电机；
所述被测电机连接测功机，在被测电机与测功机的连接线上设有速度/力矩传感器。
如图2为本发明装置实施例。
高压电源一般来自工厂电源，电机控制器连接电源模拟器，功率分析仪用于电机控制器的测量量DC包括U、I、P，功率分析仪用于被测电机的测量量AC包括U、I、upk/upk、P、Q、λ、Φ、f、η、loss。
测功机包括测控仪、测功机控制室、电力测功机电机，测功机控制室与电力测功机电机通过编码器反馈，测控仪与测功机控制室CANbus通讯，测功机控制室通过工厂电源供电，扭矩传感器向测控仪传输扭矩、转速的测量信号。
电机测功机电机的轴通过扭矩传感器连接被测电机的轴。
控制台为系统操作台，系统操作台与功率分析仪通过以太网通讯，系统操作台与测控仪通过CANbus通讯。
永磁同步电机定子直轴电感和交轴电感的标定方法：以50安培电流大小为步长，设定电机相电流Is大小从初始值25安培到最大输出电流，通过改变力矩电流角度大小，范围从-10度到190度，从而得到直轴电流Ids_cmd和交轴电流Iqs_cmd的组合指令值。
电机控制器驱动被测电机运行在矢量电流环控制模式下，控制模式如图3所示。
对于每一(Ids_cmd，Iqs_cmd)组合，通过自动整定PI的方式，调整到稳定的运行状态点，下面的所有测量值都是基于稳定状态下测量得到的。
自动整定PI的方式，主要是指利用电机控制器自身的资源，在控制器参数需要整定时，给系统一个小的不至于影响系统正常运行的干扰信号，以估算对象参数，然后运用ISE指标设计PID参数。通常是对被测电机施加一定形式的电压激励，并实时采集电流响应计算电机参数。通过直流试验、单相试验和空载试验对电机的定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、互感的自动测试，为了使辨识的参数较为准确，电机控制器算法会利用最小二乘法和中位置滤波法对数据进行处理，提高辨识参数的精度，这类方法的本质是自适应控制理论与系统辨识的结合。即被控对象的特性通过对被控对象的数学模型的分析来得到，在对象数学模型的基础上用基于模型的一类的整定法计算PID参数。
由图1可知，通过功率分析仪和控制台可得到下面的变量参数：Vab(A，B线电压有效值)、Vcb(C，B线电压有效值)、Ia(A相电流有效值)、Ic(C相电流有效值)、ξAB(Vab对Ia的夹角)、ξCB(Vcb对Ic的夹角)、ωm(电机速度)、T(电机实际力矩)，A、B、C对应U、V、W的相电压和线电压。
对于上面的每一组直轴电流Id_cmd和交轴电流Iq_cmd指令值和反馈值，可以计算交直轴电流的夹角，如图4所示
其中Ids_fed,Iqs_fed是由相电流经过clark和park变换得到的。
图4中，PF是功率因素角，q-axis即q轴，d-axis即d轴。
Clark变换和Park变换是电机控制矢量坐标变换的一种。
Clark变换：是α轴与A轴重合，将三相静止ABC坐标系变换到两相静止αβ坐标系下。
Park变换：将两相静止αβ坐标系变换到旋转的dq坐标系下。
三个坐标系下电机状态方程可等价逆变换。
因为通过Ia(A相电流有效值)、Ic(C相电流有效值)可以计算出Ipeak(相电流峰值)，从而由下面变换关系得到Iqs和Ids的实际值：
Iqs＝Ipeak*cosδ
Ids＝-Ipeak*sinδ
可以根据下面变换得到功率因数角：
因为通过Vab(A，B线电压有效值)、Vcb(C，B线电压有效值)可以计算出Vpeak(相电压峰值)，从而由下面变换关系得到Vqs和Vds的实际值：
Vqs＝Vpeak*cos(δ+pf)
Vds＝-Vpeak*sin(δ+pf)
基于上面所有的测量值(和转换值)，以及电机参数定子电阻Rs和极对数p，就可以根据下式得到交轴电感：
基于上面的测量值、换算得到的电磁同步速度ωe，以及电机参数电子定子电阻Rs就可以根据下式得到直轴磁链：
因为在Ids＝0的时候，永磁磁链ke＝λd，由此得到ke随电流变化的插值表。
再根据下面直轴电感Ld的变换公式，得到最终的直轴电感：
本发明所用到的直轴电感Ld和交轴电感Lq的标定方法，实际台架使用时，使用自动化控制的方式控制每个工作点的运行，从而加快标定的速度和效率。而因为以一定电流步长来标定电感参数，实际使用这些得到的电感参数，能取得比较理想的控制效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.永磁同步电机定子直轴电感和交轴电感的标定方法，其特征在于设置台架测试装置，所述台架测试装置包括：
控制台，所述控制台连接功率分析仪、高压电源、电机控制器、测功机；所述高压电源连接电机控制器；
所述电机控制器连接被测电机；
所述被测电机连接测功机，在被测电机与测功机的连接线上设有速度/力矩传感器；
所述标定方法包括如下步骤：
第一步：以一定电流大小为步长，设定被测电机相电流Is大小从初始值到最大输出电流；
第二步：改变力矩电流角度大小，得到直轴电流Ids_cmd和交轴电流Iqs_cmd的组合指令值；
第三步：电机控制器驱动被测电机运行在矢量电流环控制模式下；
第四步：对于每一组直轴电流Id_cmd和交轴电流Iq_cmd指令值和反馈值，通过自动整定PI的方式，调整到稳定的运行状态点；
第五步：通过功率分析仪和控制台得到变量参数：Vab、Vcb、Ia、Ic、ξAB、ξCB、ωm、T，
所述Vab是A，B线电压有效值，
所述Vcb是C，B线电压有效值，
所述Ia是A相电流有效值，
所述Ic是C相电流有效值，
所述ξAB是Vab对Ia的夹角，
所述ξCB是Vcb对Ic的夹角，
所述ωm是电机速度，
所述T是电机实际力矩。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子直轴电感和交轴电感的标定方法，其特征在于对于第四步每一组直轴电流Id_cmd和交轴电流Iq_cmd指令值和反馈值，计算交直轴电流的夹角
其中Ids_fed,Iqs_fed是由相电流经过clark和park变换得到；
通过第五步得到的变量参数Ia、Ic计算出相电流峰值Ipeak，从而由下面变换关系得到Iqs和Ids的实际值：
Iqs＝Ipeak*cosδ
Ids＝-Ipeak*sinδ
根据下面变换得到功率因数角：
通过Vab、Vcb计算出相电压峰值Vpeak，从而由下面变换关系得到Vqs和Vds的实际值：
Vqs＝Vpeak*cos(δ+pf)
Vds＝-Vpeak*sin(δ+pf)。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机定子直轴电感和交轴电感的标定方法，其特征在于交轴电感的计算公式如下：
其中Rs是电机参数定子电阻，p是电机参数定子极对数
直轴磁链的计算公式如下：
在Ids＝0的时候，永磁磁链ke＝λd，由此得到ke随电流变化的插值表再根据下面直轴电感Ld的变换公式，得到最终的直轴电感：
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子直轴电感和交轴电感的标定方法，其特征在于所述力矩电流角度是交轴电流与相电流的夹角，范围从-10度到190度。
5.用于权利要求1-4任一项所述标定方法的台测装置，其特征在于包括：控制台，所述控制台连接功率分析仪、高压电源、电机控制器、测功机；
所述高压电源连接电机控制器；
所述电机控制器连接电机；
所述电机连接测功机，在电机与测功机的连接线上设有速度/力矩传感器。
6.根据权利要求5所述的台测装置，其特征在于所述电机控制器连接电源模拟器。
7.根据权利要求5所述的台测装置，其特征在于所述测功机包括测控仪、测功机控制室、电力测功机电机，测功机控制室与电力测功机电机通过编码器反馈，测控仪与测功机控制室CANbus通讯。
8.根据权利要求7所述的台测装置，其特征在于电机测功机电机的轴通过扭矩传感器连接被测电机的轴。
9.根据权利要求5所述的台测装置，其特征在于所述控制台为系统操作台，系统操作台与功率分析仪通过以太网通讯，系统操作台与测功机通过CANbus通讯。
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