CN109039203B - 一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法 - Google Patents

一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法，在转速模式下，将永磁同步电机拖动至不同的转速，再以校准前实测转速和实测机械转矩为自变量，以校准前期望转矩为因变量进行二元二次多项式拟合，得到多项式拟合系数作为转矩校准系数，再利用转矩校准系数对电动汽车永磁同步电机进行转矩校准；校准方法操作简便，校准结果精确，且降低了电机驱动控制器运算的复杂度。

Description

一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，更为具体地讲，涉及一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法。
背景技术
在电动汽车的应用场合中，整车控制器在电动汽车运行过程中根据踏板深度、刹车、整车运行状况实时的计算车辆运行所需要的转矩，并将此转矩作为期望转矩下发至电机驱动控制器，电机驱动控制器根据此期望转矩控制电机输出相应的机械转矩，实现转矩的闭环控制。出于可靠性的考虑，电动汽车驱动系统通常不会安装转矩传感器，而是在电机驱动控制器中通过公式计算的方法根据期望转矩得到转矩电流值，实现转矩电流环的闭环控制继而实现转矩的闭环控制。
然而永磁同步电机是一个非线性、强耦合、参数时变的复杂被控对象，定子电阻、转子磁链、直轴电感和交轴电感等电磁参数在电机运行过程中会随工况的变化而变化，且这些参数通常很难进行实时精确的估计，此外控制使用的电机转子零位也难以准确估计，这些因素都将导致电机实际输出的机械转矩与期望转矩之间存在误差。所以如何完成对永磁同步电机的转矩校准，实现对电机输出机械转矩的准确控制，是电动汽车电机控制的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法，以校准前实测转速和实测机械转矩为自变量，以校准前期望转矩为因变量进行二元二次多项式拟合，得到多项式拟合系数作为转矩校准系数，并进行电动汽车永磁同步电机转矩校准。
为实现上述发明目的，本发明一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将永磁同步电机的全调速范围进行转速分段，分段点转速为wi i＝1,2,3,…,m；
(2)、电力测功机工作于转速模式，将永磁同步电机拖动至转速wi；在转速wi下，上位机设定不同的期望转矩Teij，j＝1,2,…,n，n为期望转矩的个数，并下发至电机驱动控制器；
(3)、电机驱动控制器接收期望转矩Teij后，利用公式(1)将期望转矩转换为期望转矩电流iq，
Teij＝npψfiq+np(Ld-Lq)idiq (1)
其中，Te为期望转矩，np为电机极对数，ψf为电机转子磁链，id为期望励磁电流，iq为期望转矩电流，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感；
再利用期望转矩电流iq的闭环控制，实现对转矩的闭环控制，从而控制永磁同步电机输出相应的机械转矩Tmij；
(4)、通过电力测功机的转矩传感器检测永磁同步电机输出的机械转矩，记录下转速wi时，不同期望转矩Teij下的机械转矩Tmij，得到矩阵：
Figure BDA0001756429370000021
(5)、重复步骤(2)到步骤(4)，记录下全部转速wi下，不同期望转矩Teij下的机械转矩Tmij，得到X1,X2,…,Xm和Te1,Te2,…,Tem
(6)、以转速wi和wi对应下不同期望转矩Teij下的机械转矩Tmij为自变量，利用公式(3)进行多项式拟合；
Figure BDA0001756429370000022
其中，T表示转置，θi表示转速wi下的拟合参数；
同理，拟合出J1,J2,…,Jm；
对Ji求关于θi的偏导数，求解偏导数等于0时的θi，记为
Figure BDA0001756429370000023
Figure BDA0001756429370000024
其中，ai,bi,ci,di,ei,fi表示转速wi下的多项式拟合系数，再将
Figure BDA0001756429370000025
作为转矩校准系数；
(7)、实测永磁同步电机的转速w，再根据当前转速w找到对应的转矩校准系数
Figure BDA0001756429370000031
将转矩校准系数
Figure BDA0001756429370000032
输入至电机驱动控制器进行转矩校准；
Figure BDA0001756429370000033
其中，w为实测电机转速；Te为校准前期望转矩；Teb为校准后期望转矩。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法，在转速模式下，将永磁同步电机拖动至不同的转速，再以校准前实测转速和实测机械转矩为自变量，以校准前期望转矩为因变量进行二元二次多项式拟合，得到多项式拟合系数作为转矩校准系数，再利用转矩校准系数对电动汽车永磁同步电机进行转矩校准；校准方法操作简便，校准结果精确，且降低了电机驱动控制器运算的复杂度。
附图说明
图1是转矩闭环控制的原理图；
图2是本发明一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法流程图；
图3是基速以下1500rpm时转矩校准曲线；
图4是基速以上6100rpm时转矩校准曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图2是本发明一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法流程图。
在本实施例中，如图2所示，本发明一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法，包括以下步骤：
S1、将永磁同步电机的全调速范围进行转速分段，分段点转速为wii＝1,2,3,…,m；
S2、电力测功机工作于转速模式，将永磁同步电机拖动至转速wi；在转速wi下，上位机设定不同的期望转矩Teij，j＝1,2,…,n，n为期望转矩的个数，并下发至电机驱动控制器；
S3、通常情况下，转矩的闭环控制时会使用到转子磁链、直轴电感和交轴电感等电磁参数，然而永磁同步电机是一个非线性、强耦合、参数时变的复杂被控对象，定子电阻、转子磁链、直轴电感和交轴电感等电磁参数在电机运行过程中会随工况的变化而变化，且这些参数通常很难进行实时精确的估计。此外控制使用的电机转子零位也难以准确估计。这些因素都将导致电机实际输出的机械转矩与期望转矩之间存在误差，无法满足相关行业标准。
因此，在本实施例中，电机驱动控制器接收期望转矩Teij后，先利用公式(1)将期望转矩转换为期望转矩电流iq，
Teij＝npψfiq+np(Ld-Lq)idiq (1)
其中，Te为期望转矩，np为电机极对数，ψf为电机转子磁链，id为期望励磁电流，iq为期望转矩电流，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感；
再利用期望转矩电流iq的闭环控制，实现对转矩的闭环控制，从而控制永磁同步电机输出相应的机械转矩Tmij；
S4、通过电力测功机的转矩传感器检测永磁同步电机输出的机械转矩，记录下转速wi时，不同期望转矩Teij下的机械转矩Tmij，得到矩阵：
Figure BDA0001756429370000041
S5、重复步骤S2到步骤S4，记录下全部转速wi下，不同期望转矩Teij下的机械转矩Tmij，得到X1,X2,…,Xm和Te1,Te2,…,Tem
S6、定义误差ε＝Te-Xθ，Te为校准前期望转矩，X为步骤S4得到的矩阵，θ为待拟合参数；最小二乘法原理是寻找θ的估计值
Figure BDA0001756429370000042
使得误差ε的平方和最小。
因此，我们以转速wi和wi对应下不同期望转矩Teij下的机械转矩Tmij为自变量，利用公式(3)进行多项式拟合；
Figure BDA0001756429370000051
其中，εi＝Tei-Xiθi；T表示转置，θi表示转速wi下的拟合参数；
同理，拟合出J1,J2,…,Jm；
对Ji求关于θi的偏导数，求解偏导数等于0时的θi，记为
Figure BDA0001756429370000052
Figure BDA0001756429370000053
其中，ai,bi,ci,di,ei,fi表示转速wi下的多项式拟合系数，再将
Figure BDA0001756429370000054
作为转矩校准系数；
S7、实测永磁同步电机的转速w，再根据当前转速w找到对应的转矩校准系数
Figure BDA0001756429370000055
将转矩校准系数
Figure BDA0001756429370000056
输入至电机驱动控制器，按照公式进行转矩校准；
Figure BDA0001756429370000057
其中，w为实测电机转速；Te为校准前期望转矩；Teb为校准后期望转矩。
实例
本实施例以基速即额定转速为3500rpm，最大转速为8000rpm，额定功率为30kW，峰值功率为60kW，额定转矩为82N·m，最大转矩为180N·m的永磁同步电机为试验样机。
通过期望转矩电流的闭环控来实现对转矩的闭环控制，其原理如图1所示，图1中的附图标记分别代表为：转矩电流变换模块1、励磁电流环调节器模块2、Park逆变换模块3、SVPWM模块4、三相逆变器模块5、永磁同步电机6、转矩电流环调节器模块7、Park变换模块8、Clark变换模块9。
按照图2所示流程，对电动汽车永磁同步电机转矩校准：电力测功机工作于转速模式，在永磁同步电机的全调速范围内，永磁同步电机分别在w1＝3500rpm，w2＝4500rpm，w3＝5850rpm，w4＝8000rpm，下输出机械转矩，转速由电力测功机转速传感器测得。在每一个转速下，上位机以10N·m为步长，等间距设定不同的期望转矩，并下发至电机驱动控制器，电机驱动控制器接收期望转矩，并控制电机输出相应的机械转矩。通过电力测功机的转矩传感器读取电机的实际机械转矩，记录不同转速、不同期望转矩下的机械转矩。在不同转速段内，得到以转速和机械转矩为自变量的多项式拟合系数，并将其作为校准系数，如表1所示。将转矩校准系数运用于电动汽车驱动控制器转矩校准。
表1是转速分段转矩校准系数表；
Figure BDA0001756429370000061
表1
基速以下1500rpm时转矩校准曲线如图3所示，基速以上6100rpm时转矩校准曲线如图4所示。
如图3所示，为基速以下1500rpm时转矩校准曲线。期望转矩为80N·m时，校准前机械转矩为60.26N·m，误差-24.68％，校准后机械转矩79.66N·m，误差-0.43％；期望转矩为150N·m时，校准前机械转矩为97.82N·m，误差-34.79％，校准后机械转矩为149.1N·m，误差-0.6％；校准前期望转矩给到300N·m时，机械转矩才能到152.8N·m，而校准后期望转矩为150N·m，机械转矩已到149.1N·m。
如图4所示，为基速以上6100rpm时转矩校准曲线。期望转矩为40N·m时，校准前机械转矩为29.46N·m，误差-26.35％，校准后机械转矩39.22N·m，误差-1.95％；期望转矩为90N·m时，校准前机械转矩为63.43N·m，误差-29.52％，校准后机械转矩为85.8N·m，误差-4.67％；校准前期望转矩给到130N·m时，机械转矩才能到84.5N·m，而校准后期望转矩为80N·m，机械转矩已到80.09N·m。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种电动汽车永磁同步电机转矩校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将永磁同步电机的全调速范围进行转速分段，分段点转速为wii＝1,2,3,…,m；
(2)、电力测功机工作于转速模式，将永磁同步电机拖动至转速wi；在转速wi下，上位机设定不同的期望转矩Teij，j＝1,2,…,n，n为期望转矩的个数，并下发至电机驱动控制器；
(3)、电机驱动控制器接收期望转矩Teij后，利用公式(1)将期望转矩转换为期望转矩电流iq，
Teij＝npψfiq+np(Ld-Lq)idiq (1)
其中，Te为期望转矩，np为电机极对数，ψf为电机转子磁链，id为期望励磁电流，iq为期望转矩电流，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感；
再利用期望转矩电流iq的闭环控制，实现对转矩的闭环控制，从而控制永磁同步电机输出相应的机械转矩Tmij；
(4)、通过电力测功机的转矩传感器检测永磁同步电机输出的机械转矩，记录下转速wi时，不同期望转矩Teij下的机械转矩Tmij，得到矩阵：
Figure FDA0002550466290000011
(5)、重复步骤(2)到步骤(4)，记录下全部转速wi下，不同期望转矩Teij下的机械转矩Tmij，得到X1,X2,…,Xm和Te1,Te2,…,Tem
(6)、以转速wi和wi对应下不同期望转矩Teij下的机械转矩Tmij为自变量，利用公式(3)进行多项式拟合；
Figure FDA0002550466290000012
其中，T表示转置，θi表示转速wi下的拟合参数；
同理，拟合出J1,J2,…,Jm；
对Ji求关于θi的偏导数，求解偏导数等于0时的θi，记为
Figure FDA0002550466290000013
Figure FDA0002550466290000021
其中，ai,bi,ci,di,ei,fi表示转速wi下的多项式拟合系数，再将
Figure FDA0002550466290000022
作为转矩校准系数；
(7)、实测永磁同步电机的转速w，再根据当前转速w找到对应的转矩校准系数
Figure FDA0002550466290000023
将转矩校准系数
Figure FDA0002550466290000024
输入至电机驱动控制器进行转矩校准；
Figure FDA0002550466290000025
其中，w为实测电机转速；Te为校准前期望转矩；Teb为校准后期望转矩。
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