CN109039197A - 永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法，本方法在电机运行的常温以及最低和最高工作温度下分别对电机进行标定，分别得到三个温度条件下电机的轴电流，根据电机输出扭矩的期望值通过查表得到落在电机MTPA曲线上的电机的轴电流、的唯一组合，作为电机矢量控制系统DQ轴电流的期望值输出，从而对电机输出扭矩实现修正。本方法对受温度影响的电机转子永磁体磁链进行校正，达到补偿电机输出扭矩的目的，其算法简单，无需提高车载控制器单片机的负载率，确保整车的控制性能。

Description

永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法。

背景技术

随着新能源汽车逐渐在全球范围内的大规模普及，永磁同步电机凭借着它高功率密度、高效率和小尺寸以及较轻的重量等特点，被广泛运用在新能源汽车的整车传动系统中。

但是因为转子中的永磁体材料由磁钢构成，永磁同步电机也存在一些缺点。例如在整车工况下，汽车要能够在各种极端天气中正常运行，电机工作环境温度的范围往往被设计的很宽泛(例如从-40℃～120℃)，但是根据磁滞回线可知，主要由钕铁硼(NdFeB)材料构成的转子永磁体磁钢的磁通密度会受到温度变化的影响，这是导致电机在不同温度下输出扭矩变化的主要原因。除了输出扭矩精度不能保证外，这一特性也会导致在低温下电机电流提早出现饱和，高温下出现电机的电压利用率不足等问题。

随着近年来新能源乘用车的市场不断扩大，对电机各个方面能力的要求都在不断提高。为了减小电机输出扭矩受温度的影响，通常可以选取对温度变化不敏感的磁钢材料、改进电机的制造工艺或提高电机本体的散热能力。但在追求性价比的前提下，如果想要完全的解决上述问题，还需要在电机控制层面，通过算法对受温度影响的永磁体磁链值进行校正。但成熟可用的算法往往比较复杂，考虑到目前车载控制器使用的单片机计算能力有限，大多算法提高了单片机的负载率，影响车载控制器单片机的运算效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法，本方法对受温度影响的电机转子永磁体磁链进行校正，达到补偿电机输出扭矩的目的，其算法简单，无需提高车载控制器单片机的负载率，确保整车的控制性能。

为解决上述技术问题，本发明永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法包括如下步骤：

步骤一、测量常温t₀下电机转子永磁体的磁链值ψ_ft0，根据已知转子永磁体的磁链与温度的公式(1)，计算电机运行范围内最低温度t_min和最高温度t_max下电机转子永磁体的磁链值ψ_ftmin、ψ_ftmax；

式中：ψ_ft为被测温度下的磁链值、t为被测温度、t₀为常温、α为系数；

步骤二、分别在最低温度t_min、常温t₀和最高温度t_max的环境温度下对电机进行标定，绘制I_dq-Map_tmin、I_dq-Map_t0和I_dq-Map_tmax二维查找表，根据电机的转速反馈值和输出扭矩的期望值，通过查二维表得到落在电机最大转矩电流比曲线或者弱磁曲线上的电机DQ轴电流组合I_dqtmin、I_dqt0和I_dqtmax；

步骤三、在电机标定的过程中，由于转子永磁体磁链随温度的变化近似于呈线性关系，所以将转子永磁体磁链ψ_ftmin、ψ_ft0和ψ_ftmax进行线性拟合得到横坐标为磁链、纵坐标为温度的直线；

步骤四、在整车工况下，采用基于反电动势的转子温度估测方法对转子温度进行估算，并通过公式(1)得到当前估算温度下的转子永磁体的磁链值ψ_ft；

步骤五、对电机DQ轴电流组合I_dqtmin、I_dqt0和I_dqtmax进行线性拟合，随着温度上升，永磁体磁链变小，根据电机的扭矩方程式(2)可知：

其中：T_e为电机输出的扭矩，P_n为电机极对数，i_s为电流矢量，β为旋变角，L_d为d轴电感值，L_q为q轴的电感值；

当式(2)中的永磁体磁链值ψ_ft变小，为了保证电机输出的扭矩T_e不变，电流值i_s要变大，所以电流值i_s随温度变化，其斜率为磁链拟合直线斜率的负数；

步骤六、根据磁链拟合直线和电流拟合直线以及当前温度下的永磁体磁链值ψ_ft，等比例的计算出当前温度下的电机DQ轴电流组合I_dqt；

步骤七:将按照等比例计算出的D轴电流I_dt与Q轴电流I_qt作为电机控制的电流期望值输入电机的矢量控制系统，使电机运行输出的扭矩经修正达到期望扭矩值。

进一步，所述基于反电动势的转子温度估测方法包括如下步骤：

步骤一、根据电机反电动势的方程：

式中：E₀为电机反电动势、f为电机主磁场的频率、K_dp为定子绕组系数、N为每相的绕组匝数、K_φ为磁场的波形系数、b_m0为永磁体工作点、B_r为永磁体剩余的磁通密度、A_m为每极下永磁体的横截面积、σ₀为空载漏磁系数，

式(3)中，除空载漏磁系数σ₀外，其他系数和参数均与永磁同步电机的反电动势E₀成线性关系，且在电机实际运行过程中，电机主磁场的频率f在转速一定的时候不发生变化，定子绕组系数Kdp与磁场的波形系数K_φ由电机磁路和绕组决定，在电机运行时也认为不变，每相的绕组匝数N、每极下永磁体的横截面积A_m、空载漏磁系数σ₀、永磁体工作点b_m0均为永磁同步电机的设计参数，在运行时并不变化，由此得到永磁体剩余的磁通密度B_r与电机反电动势E₀呈线性关系；

步骤二、转子永磁体在不同温度下的剩余磁通密度遵循如下关系：

式中：B_rt为被测温度t下的永磁体剩余磁通密度、B_rt0为常温t₀下的永磁体剩余磁通密度、α为系数；

步骤三、对电机转子的温度进行测试，测试开始时刻为T1,此时测量室温，根据式(3)和式(4)计算当前室温下的永磁体剩余磁通B_rT1和电机反电势E_0T1，

f＝pn/60

步骤四、电机保持转速运行一段时间后，电机转子温度上升，设定此时时刻为T2,根据式(3)和式(4)计算T2时刻的永磁体剩余磁通B_rT2和电机反电势E_0T2，

步骤五、将式(5)与式(6)联立，得到T1至T2时刻转子温度的变化值ΔT与电机反电动势之间的关系：

式中：t₁为T1时刻的转子温度，即T1时刻的室温，t₂为T2时刻的转子温度，

则T2时刻的转子温度为：

t₂＝ΔT+t₁ (9)

从而得到转子温度的估测值。

由于本发明永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法采用了上述技术方案，即本方法在电机运行的常温以及最低和最高工作温度下分别对电机进行标定，分别得到三个温度条件下电机的dq轴电流，根据电机输出扭矩的期望值通过查表得到落在电机MTPA曲线上的电机的dq轴电流i_d、i_q的唯一组合，作为电机矢量控制系统d-q轴电流的期望值输出，从而对电机输出扭矩实现修正。本方法对受温度影响的电机转子永磁体磁链进行校正，达到补偿电机输出扭矩的目的，其算法简单，无需提高车载控制器单片机的负载率，确保整车的控制性能。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本方法中磁链拟合直线示意图；

图2为本方法中电流拟合直线示意图。

具体实施方式

本发明永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法包括如下步骤：

步骤一、测量常温t₀下电机转子永磁体的磁链值ψ_ft0，根据已知转子永磁体的磁链与温度的公式(1)，计算电机运行范围内最低温度t_min和最高温度t_max下电机转子永磁体的磁链值ψ_ftmin、ψ_ftmax；

式中：ψ_ft为被测温度下的磁链值、t为被测温度、t₀为常温、α为系数；

步骤二、分别在最低温度t_min、常温t₀和最高温度t_max的环境温度下对电机进行标定，绘制三张I_dq-Map二维查找表，即I_dq-Map_tmin、I_dq-Map_t0和I_dq-Map_tmax，使得可以根据电机的转速反馈值和输出扭矩的期望值，通过查二维查找表得到落在电机MTPA(即Maximumtorque per ampere-最大转矩电流比)曲线或者弱磁曲线上的电机DQ轴电流组合I_dqtmin、I_dqt0和I_dqtmax；

步骤三、如图1所示，在电机标定的过程中，由于转子永磁体磁链随温度的变化近似于呈线性关系，所以将ψ_rtmin、ψ_rt0和ψ_rtmax进行线性拟合得到纵坐标为温度、横坐标为磁链的直线；

步骤四:在整车工况下，采用基于反电动势的转子温度估测方法对转子温度进行估算，并通过公式(1)得到当前估算温度下的转子永磁体的磁链值ψ_ft,；

步骤五:从步骤二中得到的三张I_dq-Map表中，根据当前输入的电机转速反馈值和扭矩输出命令值，取出三个温度下的电机DQ轴电流组合I_dqtmin、I_dqt0和I_dqtmax，并进行线性拟合，因为随着温度上升，永磁体磁链值变小，根据电机的扭矩方程式(2)可知：

其中：T_e为电机输出的扭矩，P_n为电机极对数，i_s为电流矢量，β为旋变角，L_d为d轴电感值，L_q为q轴的电感值；

当式(2)中的永磁体磁链值ψ_ft变小，为了保证电机输出的扭矩T_e不变，电流值i_s要变大，如图2所示，所以电流值i_s随温度变化，其斜率为磁链拟合直线斜率的负数；

步骤六：根据磁链拟合直线和电流拟合直线以及当前温度下的永磁体磁链值ψ_ft，等比例的计算出当前温度下的电流组合I_dqt；

步骤七:将按照等比例计算出的D轴电流I_dt与Q轴电流I_qt作为电机控制的电流期望值输入电机矢量控制系统，电机运行输出的扭矩经修正达到期望扭矩值。

优选的，所述基于反电动势的转子温度估测方法包括如下步骤：

步骤一、根据电机反电动势的方程：

式中：E₀为电机反电动势、f为电机主磁场的频率、K_dp为定子绕组系数、N为每相的绕组匝数、K_φ为磁场的波形系数、b_m0为永磁体工作点、B_r为永磁体剩余的磁通密度、A_m为每极下永磁体的横截面积、σ₀为空载漏磁系数，

式(3)中，除空载漏磁系数σ₀外，其他系数和参数均与永磁同步电机的反电动势E₀成线性关系，且在电机实际运行过程中，电机主磁场的频率f在转速一定的时候不发生变化，定子绕组系数K_dp与磁场的波形系数K_φ由电机磁路和绕组决定，在电机运行时也认为不变，每相的绕组匝数N、每极下永磁体的横截面积A_m、空载漏磁系数σ₀、永磁体工作点b_m0均为永磁同步电机的设计参数，在运行时并不变化，由此得到永磁体剩余的磁通密度B_r与电机反电动势E₀呈线性关系；

步骤二、转子永磁体在不同温度下的剩余磁通密度遵循如下关系：

式中：B_rt为被测温度t下的永磁体剩余磁通密度、B_rt0为常温t₀下的永磁体剩余磁通密度、α为系数；

步骤三、对电机转子的温度进行测试，测试开始时刻为T1,此时测量室温，根据式(3)和式(4)计算当前室温下的永磁体剩余磁通B_rT1和电机反电势E_0T1，

f＝pn/60

步骤四、电机保持转速运行一段时间后，电机转子温度上升，设定此时时刻为T2,根据式(3)和式(4)计算T2时刻的永磁体剩余磁通B_rT2和电机反电势E_0T2，

步骤五、将式(5)与式(6)联立，得到T1至T2时刻转子温度的变化值ΔT与电机反电动势之间的关系：

式中：t₁为T1时刻的转子温度，即T1时刻的室温，t₂为T2时刻的转子温度，

则T2时刻的转子温度为：

t₂＝ΔT+t₁ (9)

从而得到转子温度的估测值。

永磁同步电机中转子永磁体在不同温度下的磁通密度遵循如下的关系：

式中，B_t为被测温度t下的永磁体磁通密度，B_t0为常温t₀下的磁通密度，α为系数，其在不同温度段下的值略有不同但变化不大，可以近似认为是一个常数；

又因为磁链和磁通的关系式为：

式中，ψ为磁链，N为导线匝数，为磁通，B为磁通密度，A为导线的横截面积，在讨论转子永磁体的时候，N和A为常数可以忽略，因此随着磁通密度的变化，最终会到导致永磁体的磁链ψ随之产生变化；

磁链与温度的关系式与磁通密度的变化公式相同：

而根据永磁同步电机的扭矩方程可知：

式中，ψ_f即为上文所讨论的永磁体磁链，L_d和L_q为DQ轴的电感值，它们受温度的影响很小，通常认为它们为常值，由此可见，永磁体磁链值随温度变化是导致扭矩输出不准的主要原因。

本方法在不需要对电机硬件进行改动的前提下，通过算法对温度变化造成的转子永磁体磁链进行补偿修正，达到保证电机输出扭矩精度的目的，同时也可以避免在低温下电机的电流提早出现饱和，高温下电机的电压利用率不足的问题。另一方面，使用查找表和线性插值法可以最大限度的降低车载电机控制器中芯片的负载率，适合在整车条件下进行使用，从而确保了整车的控制性能。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、测量常温t₀下电机转子永磁体的磁链值ψ_ft0，根据已知转子永磁体的磁链与温度的公式(1)，计算电机运行范围内最低温度t_min和最高温度t_max下电机转子永磁体的磁链值ψ_ftmin、ψ_ftmax；

式中：ψ_ft为被测温度下的磁链值、t为被测温度、t₀为常温、α为系数；

步骤二、分别在最低温度t_min、常温t₀和最高温度t_max的环境温度下对电机进行标定，绘制I_dq-Map_tmin、I_dq-Map_t0和I_dq-Map_tmax二维查找表，根据电机的转速反馈值和输出扭矩的期望值，通过查二维查找表得到落在电机最大转矩电流比曲线或者弱磁曲线上的电机DQ轴电流组合I_dqtmin、I_dqt0和I_dqtmax；

步骤三、在电机标定的过程中，由于转子永磁体磁链随温度的变化近似于呈线性关系，所以将转子永磁体磁链ψ_ftmin、ψ_ft0和ψ_ftmax进行线性拟合得到横坐标为磁链、纵坐标为温度的直线；

步骤四、在整车工况下，采用基于反电动势的转子温度估测方法对转子温度进行估算，并通过公式(1)得到当前估算温度下的转子永磁体的磁链值ψ_ft；

步骤五、对电机DQ轴电流组合I_dqtmin、I_dqt0和I_dqtmax进行线性拟合，随着温度上升，永磁体磁链变小，根据电机的扭矩方程式(2)可知：

其中：T_e为电机输出的扭矩，P_n为电机极对数，i_s为电流矢量，β为旋变角，L_d为d轴电感值，L_q为q轴的电感值；

当式(2)中的永磁体磁链值ψ_ft变小，为了保证电机输出的扭矩T_e不变，电流值i_s要变大，所以电流值i_s随温度变化，其斜率为磁链拟合直线斜率的负数；

步骤六、根据磁链拟合直线和电流拟合直线以及当前温度下的永磁体磁链值ψ_ft，等比例的计算出当前温度下电机DQ轴电流组合I_dqt；

步骤七:将按照等比例计算出的D轴电流I_dt与Q轴电流I_qt作为电机控制的电流期望值输入电机的矢量控制系统，使电机运行输出的扭矩经修正达到期望扭矩值。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机输出扭矩受温度影响的修正方法，其特征在于：所述基于反电动势的转子温度估测方法包括如下步骤：

步骤一、根据电机反电动势的方程：

式中：E₀为电机反电动势、f为电机主磁场的频率、K_dp为定子绕组系数、N为每相的绕组匝数、K_φ为磁场的波形系数、b_m0为永磁体工作点、B_r为永磁体剩余的磁通密度、A_m为每极下永磁体的横截面积、σ₀为空载漏磁系数，

式(3)中，除空载漏磁系数σ₀外，其他系数和参数均与永磁同步电机的反电动势E₀成线性关系，且在电机实际运行过程中，电机主磁场的频率f在转速一定的时候不发生变化，定子绕组系数K_dp与磁场的波形系数K_φ由电机磁路和绕组决定，在电机运行时也认为不变，每相的绕组匝数N、每极下永磁体的横截面积A_m、空载漏磁系数σ₀、永磁体工作点b_m0均为永磁同步电机的设计参数，在运行时并不变化，由此得到永磁体剩余的磁通密度B_r与电机反电动势E₀呈线性关系；

步骤二、转子永磁体在不同温度下的剩余磁通密度遵循如下关系：

式中：B_rt为被测温度t下的永磁体剩余磁通密度、B_rt0为常温t₀下的永磁体剩余磁通密度、α为系数；

步骤三、对电机转子的温度进行测试，测试开始时刻为T1,此时测量室温，根据式(3)和式(4)计算当前室温下的永磁体剩余磁通B_rT1和电机反电势E_0T1，

步骤四、电机保持转速运行一段时间后，电机转子温度上升，设定此时时刻为T2,根据式(3)和式(4)计算T2时刻的永磁体剩余磁通B_rT2和电机反电势E_0T2，

步骤五、将式(5)与式(6)联立，得到T1至T2时刻转子温度的变化值ΔT与电机反电动势之间的关系：

式中：t₁为T1时刻的转子温度，即T1时刻的室温，t₂为T2时刻的转子温度，

则T2时刻的转子温度为：

t₂＝ΔT+t₁ (9)

从而得到转子温度的估测值。