CN109274304A - 电动汽车内嵌式永磁同步电机电感参数矩阵的辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车内嵌式永磁同步电机电感参数矩阵的辨识方法，本方法将以速度控制的第一电机拖动以电流控制的第二电机以相同速度运行，且均以旋转变压器对电机的位置和速度进行测量，第二电机电流环d、q轴电流指令给定不同的直流电流信号，然后在d、q轴上注入一定幅度一定频率的交流电压信号，以激励在不同d、q轴电流指令时的电流响应；根据磁路饱和及d、q轴电感交叉耦合效应时的电机电压方程，分别推导出该给定电流点第二电机d、q轴动态电感值和静态电感值，从而由不同的给定电流点得到第二电机的电感参数矩阵。本方法解决了在实际矢量控制中电机模型参数不准确而导致控制性能不佳的问题，确保了电机控制的准确性。

Description

电动汽车内嵌式永磁同步电机电感参数矩阵的辨识方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车内嵌式永磁同步电机电感参数矩阵的辨识方法。

背景技术

内嵌式永磁同步电机(IPMSM，Interior Permanent Magnet Surface Motor) 通过在电磁转矩中贡献大量的磁阻转矩，具有高效率、弱磁运行频率宽的特点。 IPMSM矢量控制的本质是控制扭矩的输出，即控制电流的跟随，是将电机的三 相电流分解为在空间旋转的正交d、q轴电流，并分别对d、q轴上的电流进行 幅度和相位的控制。其中电机电感参数的准确性，对矢量控制的电流控制性能 具有举足轻重的作用。一般电机控制中电流环使用比例积分控制器，并利用前 馈控制器补偿耦合电压的影响，此时比例积分控制器的比例增益由电机电感参 数决定，比例积分控制器的积分增益由电机相电阻参数决定。相电阻的辨识采 用常规的直流法测试，即在电机一相绕组中通入两次不同的直流电，并记录两 次该相绕组两端的电压和电流，采用欧姆定律计算电阻值，通两次通入直流电 的方法可以较大程度减弱死区对辨识精度的影响。

而IPMSM的d、q轴电感参数随d、q轴电流分量的大小具有交叉耦合变化 的特点，即d轴电感不仅随d轴电流的大小而不同，而且d轴电感大小也受q 轴电流的耦合效应影响，同时，q轴电感不仅随q轴电流的大小而不同，而且 q轴电感大小也受d轴电流的耦合效应影响，最终的交叉耦合效应形成了电感 对d、q轴电流的参数矩阵，在空间表现为电感对d、q轴电流的曲面立体图。

现有的d、q轴电感辨识方法有静止型脉冲电压注入法，在做静止型脉冲 电压注入法时，须辨识当前d轴的位置，即转子磁N极位置。采取的办法是按 预先设定的角度步长值，遍历电机转子一周360°位置，在每个增量位置打入 脉冲电压信号，直至电流上升最快时的位置角度，再以此角度为参考，在其左 右分别打入电压脉冲，寻找d轴电流上升最快的角度，即为当前d轴位置角度。

静止型脉冲电压注入法的原理如下：当辨识d轴电感时，在上述辨识的d 轴位置上打入合适电压幅度的脉冲，令其作用一段时间，检测d轴响应电流， 记录打入电压的幅度和作用时间，根据辨识算法进行d轴电感的计算。当辨识 q轴电感时，在q轴上打入合适电压幅度的脉冲，令其作用一段时间，检测q 轴响应电流，记录打入电压的幅度和作用时间，根据辨识算法进行q轴电感的 计算。

下面以对d轴电感辨识为例，对这种方法予以详细描述，考虑电机d、q 轴电压模型：

其中，u_d、i_d、u_q、i_q为d、q轴电压和电流，R_s、L_d、L_q为电机相电阻和 d、q轴电感，ω_e、为电角速度和d、q轴磁链。静止时在d、q轴注入 脉冲电压时，d、q轴电压模型变为：

在一个采样周期内离散化，由式(3)和式(4)得到：

其中，T_s为电流采样周期时间，i_d(n)、i_q(n)、i_d(n-1)、i_q(n-1)为当前拍和 上拍的d、q轴电流。计算d、q轴电感：

其中，Δt＝T_s、Δi_d＝i_d(n)-i_d(n-1)、Δi_q＝i_q(n)-i_q(n-1)。忽略电机定子电阻的影响得到d、q轴电感如下：

使用该方法对IPMSM电感进行辨识时，随着电流呈指数曲线上升，L_d、L_q发生变化，所以辨识的电感值不能表示电机的真实电感值，特别是对IPMSM， 其d、q轴电感值随电流大小具有交叉耦合变化的特点，则电感的辨识更为不 准确，从而影响了电机的矢量控制性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电动汽车内嵌式永磁同步电机电 感参数矩阵的辨识方法，本方法克服了传统辨识方法的缺陷，解决了在实际矢 量控制中电机模型参数不准确而导致控制性能不佳的问题，确保了电机控制的 准确性。

为解决上述技术问题，本发明电动汽车内嵌式永磁同步电机电感参数矩阵 的辨识方法包括如下步骤：

步骤一、将第一电机和第二电机设置于拖台，第一电机做速度控制运行， 第二电机做电流控制运行，第一电机给定旋转速度拖动第二电机以相同的速度 运行，两台电机均以旋转变压器对电机的位置和速度进行测量，第二电机电流 环d、q轴电流指令给定不同的直流电流信号，然后在d、q轴上注入一定幅度 一定频率的交流电压信号，以激励在不同d、q轴电流指令时的电流响应；

步骤二、根据磁路饱和及d、q轴电感交叉耦合效应时的IPMSM电压方程：

其中，u_d、u_q为d、q轴电压，i_d、i_q为d、q轴电流，是 随i_d、i_q非线性变化的d、q轴磁链，ω_e为电角速度。展开得到：

其中，表示d轴动态电感，表示d 轴交叉耦合电感；表示q轴动态电感，表示q轴交叉耦合电感；

步骤三、当第一电机拖动第二电机以恒定的速度运行，第二电机稳定运行 在d、q轴给定电流点时，向d轴注入高频电压信号u_dac＝V_dac sin(ωt)， 则d轴生成新的电压指令为给定电流点的电压，仅考虑高频激 励电压时，电机的电压响应方程为：

此时i_qac极小，可认为u_qac完全由高频电流i_dac在q轴交叉耦合电感上的变化 量引起，则

其中，V_dac为d轴高频电压信号幅度，ω为高频电压频率，i_dac为d轴高频响应 电流，u_qac为q轴受交叉耦合效应引起的高频响应电压；在此时对电机的d轴动 态电感DL_d(i_d,i_q)和q轴交叉耦合电感DL_qd(i_d,i_q)进行辨识，便为电机在给定电流 点时的动态电感值和静态电感值；

步骤四、当第一电机拖动第二电机以恒定的速度运行，第二电机稳定运行 在d、q轴给定电流点时，向q轴注入高频电压信号u_qac＝V_qacsin(ωt)， 则q轴生成新的电压指令为给定电流点的电压，仅考虑高频激 励电压时，电机的电压响应方程为：

此时i_dac极小，可认为u_dac完全由高频电流i_qac在d轴交叉耦合电感上的变化 量引起，则

其中，V_qac为q轴高频电压信号幅度，ω为高频电压频率，i_qac为q轴高频响应 电流，u_dac为d轴受交叉耦合效应引起的高频响应电压；在此时对电机的q轴动 态电感DL_q(i_d,i_q)和d轴交叉耦合电感DL_dq(i_d,i_q)进行辨识，便为电机在电流点 时的动态电感值和静态电感值；

步骤五、在第一电机拖动第二电机以恒定的速度运行时，设定第二电机不 同的d、q轴给定电流点，重复步骤三和步骤四分别计算各给定电流点的第二 电机动态电感值和静态电感值，从而得到第二电机的电感参数矩阵。

进一步，所述第二电机的电流控制模式为d、q轴电流信号分别经比例积 分控制器输出至坐标逆变换模块，坐标逆变换模块输出信号至空间电压矢量调 制模块，空间电压矢量调制模块输出信号至三相逆变器并由三相逆变器控制第 二电机运行，三相逆变器输出信号经坐标变换模块反馈至比例积分控制器输入 端，第二电机的位置信号经角度测量模块反馈至坐标逆变换模块，坐标变换模 块输出信号经高通滤波器反馈至比例积分控制器输入端。

由于本发明电动汽车内嵌式永磁同步电机电感参数矩阵的辨识方法采用 了上述技术方案，即本方法将以速度控制的第一电机拖动以电流控制的第二电 机以相同速度运行，且均以旋转变压器对电机的位置和速度进行测量，第二电 机电流环d、q轴电流指令给定不同的直流电流信号，然后在d、q轴上注入一 定幅度一定频率的交流电压信号，以激励在不同d、q轴电流指令时的电流响 应；根据磁路饱和及d、q轴电感交叉耦合效应时的电机电压方程，分别推导 出该给定电流点第二电机d、q轴动态电感值和静态电感值，从而由不同的给 定电流点得到第二电机的电感参数矩阵。本方法克服了传统辨识方法的缺陷， 解决了在实际矢量控制中电机模型参数不准确而导致控制性能不佳的问题，确 保了电机控制的准确性。

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为本方法中第二电机电流控制的结构图。

具体实施方式

本发明电动汽车内嵌式永磁同步电机电感参数矩阵的辨识方法包括如下 步骤：

步骤一、将第一电机和第二电机设置于拖台，第一电机做速度控制运行， 第二电机做电流控制运行，第一电机给定旋转速度拖动第二电机以相同的速度 运行，两台电机均以旋转变压器对电机的位置和速度进行测量，第二电机电流 环d、q轴电流指令给定不同的直流电流信号，然后在d、q轴上注入一定幅度 一定频率的交流电压信号，以激励在不同d、q轴电流指令时的电流响应；

步骤二、根据磁路饱和及d、q轴电感交叉耦合效应时的IPMSM电压方程：

其中，u_d、u_q为d、q轴电压，i_d、i_q为d、q轴电流，是 随i_d、i_q非线性变化的d、q轴磁链，ω_e为电角速度。展开得到：

其中，表示d轴动态电感，表示d 轴交叉耦合电感；表示q轴动态电感，表示q轴交叉耦合电感；

步骤三、当第一电机拖动第二电机以恒定的速度运行，第二电机稳定运行 在d、q轴给定电流点时，向d轴注入高频电压信号u_dac＝V_dac sin(ωt)， 则d轴生成新的电压指令为给定电流点的电压，仅考虑高频激 励电压时，电机的电压响应方程为：

此时i_qac极小，可认为u_qac完全由高频电流i_dac在q轴交叉耦合电感上的变化 量引起，则

其中，V_dac为d轴高频电压信号幅度，ω为高频电压频率，i_dac为d轴高频响应 电流，u_qac为q轴受交叉耦合效应引起的高频响应电压；在此时对电机的d轴动 态电感DL_d(i_d,i_q)和q轴交叉耦合电感DL_qd(i_d,i_q)进行辨识，便为电机在给定电流 点时的动态电感值和静态电感值；

步骤四、当第一电机拖动第二电机以恒定的速度运行，第二电机稳定运行 在d、q轴给定电流点时，向q轴注入高频电压信号u_qac＝V_qacsin(ωt)， 则q轴生成新的电压指令为给定电流点的电压，仅考虑高频激 励电压时，电机的电压响应方程为：

此时i_dac极小，可认为u_dac完全由高频电流i_qac在d轴交叉耦合电感上的变化 量引起，则

其中，V_qac为q轴高频电压信号幅度，ω为高频电压频率，i_qac为q轴高频响应 电流，u_dac为d轴受交叉耦合效应引起的高频响应电压；在此时对电机的q轴动 态电感DL_q(i_d,i_q)和d轴交叉耦合电感DL_dq(i_d,i_q)进行辨识，便为电机在电流点 时的动态电感值和静态电感值；

步骤五、在第一电机拖动第二电机以恒定的速度运行时，设定第二电机不 同的d、q轴给定电流点，重复步骤三和步骤四分别计算各给定电流点的第二 电机动态电感值和静态电感值，从而得到第二电机的电感参数矩阵。

如图1所示，优选的，所述第二电机1的电流控制模式为d、q轴电流信 号分别经比例积分控制器2输出至坐标逆变换模块3，坐标逆变换模块3输出 信号至空间电压矢量调制模块4，空间电压矢量调制模块4输出信号至三相逆 变器5并由三相逆变器5控制第二电机1运行，三相逆变器5输出信号经坐标 变换模块6反馈至比例积分控制器2输入端，第二电机1的位置信号经角度测 量模块7反馈至坐标逆变换模块3，坐标变换模块6输出信号经高通滤波器8 反馈至比例积分控制器2输入端。

如图1所示，本方法对第二电机的d轴动态电感DL_d(i_d,i_q)和q轴交叉耦合 电感DL_qd(i_d,i_q)进行辨识时，首先运行第一电机到设定转速，给定第二电机电流 环直流电流指令信号运行第二电机到稳定状态；在第二电机 的d轴注入高频电压信号u_dac＝V_dacsin(ωt)，并设定运行时间T；在时间T内利用 高通滤波器提取q轴高频电压参考信号u_qac和d轴高频电流响应信号 计算动态电感计算交叉耦合电感 撤销高频电压信号u_dac＝V_dac sin(ωt)，增加d轴直流电流指令信号 到并运行到稳态；给定d轴注入高频电压信号u_dac＝V_dac sin(ωt)，设定 运行时间T；重复上述的计算得到动态电感DL_d2；撤销高频电压信号 u_dac＝V_dac sin(ωt)，增加d轴直流电流指令信号到并运行到稳态；给定d 轴注入高频电压信号u_dac＝V_dac sin(ωt)，设定运行时间T；重复上述的计算得到动 态电感DL_d3。

其中：V_dac为注入高频电压信号幅值，ω为注入高频电压信号频率，为标定后的第二电机直流信号map表中的点，I_inj为高频响应电流幅度，为 电流滞后电压的相位，U_drms、U_qrms为高频d、q轴电压有效值，I_drms为d轴高频 电流有效值，为电压和电流的相位差。

在此对标定电流点做进一步说明，电动汽车控制器接收上位机扭 矩指令信号，通过控制器内嵌的最优扭矩电流map表查得给定电流点给定电流点作为电流环电流指令值供给，驱动电机运转，其中给定电 流点为在对应速度和扭矩给定点(ω_e,T_e)下的最优值。

对d轴注入高频电压幅度V_dac限制进行说明，V_dac需足够小以至于不能影响 电流环的稳定运行，V_dac应足够大以激励起高频电流响应，但响应的电流幅度不 能超过直流给定时的电流步长的一半，其中ABS为取绝对值符 号。

至此，可对固定q轴电流点的三个不同d轴电流点进行d轴动态电 感和交叉耦合电感的辨识，当按固定增量选取按照上述方法辨识出来的d 轴电感值，就为电感参数矩阵曲面图，需要注意的是，当注入高频信号的幅度 和频率不变化，交叉耦合电感也不变。

对第二电机的q轴动态电感DL_q(i_d,i_q)和d轴交叉耦合电感DL_dq(i_d,i_q)进行辨 识时，运行第一电机到设定转速，给定第二电机直流电流指令信号 运行第二电机到稳定状态；第二电机q轴注入高频电压信号 u_qac＝V_qacsin(ωt)，设定运行时间T；在时间T内利用高通滤波器提取d轴高频电 压参考信号u_dac和q轴高频电流响应信号计算动态电感 计算交叉耦合电感撤销高频电压信号 u_qac＝V_qacsin(ωt)，增加q轴直流电流指令信号到并运行到稳态；给定 q轴注入高频电压信号u_qac＝V_qacsin(ωt)，设定运行时间T；重复上述的计算得到动态电感DL_q2；撤销高频信号u_qac＝V_qacsin(ωt)，增加q轴直流电流指令信号到 并运行到稳态；给定q轴注入高频电压信号u_qac＝V_qacsin(ωt)，设定运 行时间T；重复上述的计算得到动态电感DL_q3。

其中，V_qac为注入高频电流信号幅值，ω为注入高频电压信号频率，为第二电机标定后的直流信号map表中的点，I_inj为高频响应电流幅度，为 电流滞后电压的相位；U_drms、U_qrms为高频d、q轴电压有效值，I_qrms为q轴高频 电流有效值，为电压和电流的相位差。

在此对标定电流点做进一步说明，电动汽车控制器接收上位机扭 矩指令信号，通过控制器内嵌的最优扭矩电流map表查得电流点 作为电流环电流指令值供给，驱动电机运转，其中电流点为在 对应速度和扭矩给定点(ω_e,T_e)下的最优值。

对q轴注入高频电压幅度V_qac限制进行说明，V_qac需足够小以至于不能影响 电流环的稳定运行，但V_qac应足够大以激励起高频电流响应，但响应的电流幅度 不能超过直流给定时的电流步长的一半，其中ABS为取绝对值符 号。

至此，可对固定d轴电流点时的三个不同q轴电流点进行q轴动态 电感和交叉耦合电感的辨识，当按固定增量选取按照上述方法辨识出来的 q轴电感值，就为电感参数矩阵曲面图。

需要说明的是，对所有电感辨识直流电流指令map点须有两种 测试情况：①小于零，大于零；②小于零，小于零，而实际上， 控制器中储存的电流指令map点也包含这两种工况。这样保证电机运行工况覆 盖电动和发电，即当驾驶员踩踏油门时，电机处于电动状态，调用电动辨识电 感参数进行矢量控制；当驾驶员踩踏制动踏板时，电机处于发电状态，调用发 电辨识的电感参数进行矢量控制。

本方法可以准确的辨识电机电动和发电工况电感参数矩阵，其算法实现简 单，从而可在电机控制器中加入控制对象电机模型参数，依靠准确的模型，提 高电机控制性能，并且可靠提高了电机矢量控制中电感随电流变化时，电流调 节器的动态跟随能力，具有良好的动态和稳态特性。

Claims (2)

1.一种电动汽车内嵌式永磁同步电机电感参数矩阵的辨识方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、将第一电机和第二电机设置于拖台，第一电机做速度控制运行，第二电机做电流控制运行，第一电机给定旋转速度拖动第二电机以相同的速度运行，两台电机均以旋转变压器对电机的位置和速度进行测量，第二电机电流环d、q轴电流指令给定不同的直流电流信号，然后在d、q轴上注入一定幅度一定频率的交流电压信号，以激励在不同d、q轴电流指令时的电流响应；

步骤二、根据磁路饱和及d、q轴电感交叉耦合效应时的IPMSM电压方程：

其中，u_d、u_q为d、q轴电压，i_d、i_q为d、q轴电流，是随i_d、i_q非线性变化的d、q轴磁链，ω_e为电角速度。展开得到：

其中，表示d轴动态电感，表示d轴交叉耦合电感；表示q轴动态电感，表示q轴交叉耦合电感；

步骤三、当第一电机拖动第二电机以恒定的速度运行，第二电机稳定运行在d、q轴给定电流点时，向d轴注入高频电压信号u_dac＝V_dacsin(ωt)，则d轴生成新的电压指令 为给定电流点的电压，仅考虑高频激励电压时，电机的电压响应方程为：

此时i_qac极小，可认为u_qac完全由高频电流i_dac在q轴交叉耦合电感上的变化量引起，则

其中，V_dac为d轴高频电压信号幅度，ω为高频电压频率，i_dac为d轴高频响应电流，u_qac为q轴受交叉耦合效应引起的高频响应电压；在此时对电机的d轴动态电感DL_d(i_d,i_q)和q轴交叉耦合电感DL_qd(i_d,i_q)进行辨识，便为电机在给定电流点时的动态电感值和静态电感值；

步骤四、当第一电机拖动第二电机以恒定的速度运行，第二电机稳定运行在d、q轴给定电流点时，向q轴注入高频电压信号u_qac＝V_qacsin(ωt)，则q轴生成新的电压指令 为给定电流点的电压，仅考虑高频激励电压时，电机的电压响应方程为：

此时i_dac极小，可认为u_dac完全由高频电流i_qac在d轴交叉耦合电感上的变化量引起，则

其中，V_qac为q轴高频电压信号幅度，ω为高频电压频率，i_qac为q轴高频响应电流，u_dac为d轴受交叉耦合效应引起的高频响应电压；在此时对电机的q轴动态电感DL_q(i_d,i_q)和d轴交叉耦合电感DL_dq(i_d,i_q)进行辨识，便为电机在电流点时的动态电感值和静态电感值；

步骤五、在第一电机拖动第二电机以恒定的速度运行时，设定第二电机不同的d、q轴给定电流点，重复步骤三和步骤四分别计算各给定电流点的第二电机动态电感值和静态电感值，从而得到第二电机的电感参数矩阵。

2.根据权利要求1所述的电动汽车内嵌式永磁同步电机电感参数矩阵的辨识方法，其特征在于：所述第二电机的电流控制模式为d、q轴电流信号分别经比例积分控制器输出至坐标逆变换模块，坐标逆变换模块输出信号至空间电压矢量调制模块，空间电压矢量调制模块输出信号至三相逆变器并由三相逆变器控制第二电机运行，三相逆变器输出信号经坐标变换模块反馈至比例积分控制器输入端，第二电机的位置信号经角度测量模块反馈至坐标逆变换模块，坐标变换模块输出信号经高通滤波器反馈至比例积分控制器输入端。