CN109391180A - 用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法，方法包括以下步骤：预先获取永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数；检测永磁电机的q轴上的电流，以判断永磁电机当前所处的工况；基于当前所处的工况来选择不同的拟合函数进行q轴电流的计算；根据计算得到q轴电流，电机控制器控制永磁电机发出转矩，以控制永磁电机进行运转。本发明提供的用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法和系统使得永磁电机能够精确的执行整车控制的转矩命令，确保永磁电机在牵引和制动情况下转矩精度在全范围达到2％以内，电机的驱动功率以及制动功率的监控的数据的准确性提高，并且还提高了整车驾驶的安全性、操作性以及舒适性。

Description

用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法及系统

技术领域

本发明涉及控制技术领域，具体地说，涉及一种用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法和系统。

背景技术

永磁同步电机应用于混合动力汽车上，作为混合动力汽车的牵引驱动系统，最核心的功能是响应整车控制器(VCU)的牵引转矩命令以及制动转矩命令，以完成整车向前牵引、向后牵引以及向前制动等整车的基本功能。因此准确的响应整车控制器(VCU)的转矩命令是衡量电驱动系统性能优劣的一个重要指标。目前来说，提高永磁电机转矩精度的常规方法是在实验台架上牵引状态下对电机转矩进行标定，在试验台架的测功机上根据实测转矩推算出电机的q轴电感Lq。

然而，要同时确保永磁电机在牵引和制动两种工况下都能达到较高的转矩精度，现有的这些方法还不能满足。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法，所述方法包括以下步骤：

预先获取所述永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数；

检测所述永磁电机的q轴上的电流，以判断所述永磁电机当前所处的工况；

基于当前所处的工况来选择不同的拟合函数进行q轴电流的计算；

根据计算得到q轴电流，电机控制器控制所述永磁电机发出转矩，以控制所述永磁电机进行运转。

由于预先获取了拟合函数以及根据工况来计算q轴电流，所以本发明提供的方法能够使用拟合函数来同时提高牵引工况以及制动工况下的转矩精度。

根据本发明的一个实施例，预先获取所述永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数进一步包括：

向测功机发送转速环控制指令，以使所述测功机带动永磁电机工作在恒转矩区；

通过电机控制器向所述永磁电机发送多条不同的转矩目标指令，以使所述永磁电机分别在各个转矩环下运行；

在所述永磁电机在每个转矩环下稳定运行后，通过测功机检测所述永磁电机此时的实际转矩，并通过电机控制器检测该实际转矩下的d轴、q轴上的电流值和方向，以推算出q轴上的电感值；

基于所述电流值和所述电感值并根据所述q轴上的电流的方向拟合出不同工况下的q轴上电流和电感之间的函数关系。

根据本发明的一个实施例，所述不同的工况包括制动工况和牵引工况，其中在制动工况下，q轴上的电流为负，在牵引工况下，q轴上的电流为正。

根据本发明的一个实施例，根据所述永磁电机的峰值转矩的大小来发送转矩目标指令，其中多条转矩目标指令中的目标转矩之间的跨度相同。

根据本发明的一个实施例，通过电机控制器还检测该实际转矩下的d轴上的电流值。

根据本发明的一个实施例，根据永磁电机的转矩方程来推算出q轴电感，转矩方程为：

其中，Tm为电磁转矩；P为电机极对数；Fm为永磁体主磁通，视为常数；Iq为q轴电流；Id为d轴电流；Ld为d轴电感，视为常数；Lq为q轴电感。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的系统，所述系统包括：

拟合函数获取单元，其用以预先获取所述永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数；

检测单元，其用以检测所述永磁电机的q轴上的电流，以判断所述永磁电机当前所处的工况；

Q轴电流计算单元，其用以基于当前所处的工况来选择不同的拟合函数进行q轴电流的计算；

转矩控制单元，其用以根据计算得到q轴电流，电机控制器控制所述永磁电机发出转矩，以控制所述永磁电机进行运转。

根据本发明的一个实施例，拟合函数获取单元进一步包括：

用以向测功机发送转速环控制指令，以使所述测功机带动永磁电机工作在恒转矩区的模块；

用以通过电机控制器向所述永磁电机发送多条不同的转矩目标指令，以使所述永磁电机分别在各个转矩环下运行的模块；

用以在所述永磁电机在每个转矩环下稳定运行后，通过测功机检测所述永磁电机此时的实际转矩，并通过电机控制器检测该实际转矩下的d轴、q轴上的电流值和方向，以推算出q轴上的电感值的模块；

用以基于所述电流值和所述电感值并根据所述q轴上的电流的方向拟合出不同工况下的q轴上电流和电感之间的函数关系的模块。

本发明的有益之处在于，由于预先获取了永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数以及将牵引工况以及制动工况区分开来，分别计算两种工况下的q轴电感校正值，因此使得永磁电机能够精确的执行整车控制的转矩命令，确保永磁电机在牵引和制动情况下转矩精度在全范围达到2％以内，电机的驱动功率以及制动功率的监控的数据的准确性也有所提高，并且还提高了整车驾驶的安全性、操作性以及舒适性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法流程图

图2显示了根据本发明的一个实施例的一种永磁电机标定试验台示意图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的获取q轴电感参数流程图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的牵引制动综合考虑的q轴电流Iq计算软件流程图；

图5显示了一种标定方法的转矩精度数据图；以及

图6显示了根据本发明的一个实施例的标定方法的转矩精度数据图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

常规的转矩标定方法是在牵引工况下进行的标定，该方法可以提高永磁电机在向前牵引工况下的转矩精度。然而，这种标定方法忽略了q轴电流Iq的正负性对q轴电感Lq的不同影响，这种标定方法势必造成Iq为负电流时(即向前制动工况下)的转矩精度无法达到向前牵引工况的转矩精度，甚至出现较大偏差。

另外，制动转矩的偏差在整车没有安装转矩传感器的情况下，造成整车的制动能量和制动转矩的监控会很困难。同时制动转矩的偏差会造成驾驶员在制动时整车出现某一段制动无力，某一段又制动太强的情况，这些不利状况不仅大大的降低了整车驾驶人员的驾驶体验，甚至会对整车行驶的安全造成威胁。因此提高永磁电机转矩精度，也是提高整车安全性的一个重要指标。

然而，常规的转矩标定方法只能够保证牵引工况下的转矩精度，但是无法兼顾制动工况下的转矩精度。因此，本发明提出了一种用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法和系统。本发明通过判断永磁电机当下工况，即分别在牵引和制动工况下采用不同的q轴电感值来计算当前的q轴电流，这种方法能够保证永磁电机在牵引和制动的工况下都能达到较好的转矩精度。

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法流程图。

首先，在步骤S101中，预先获取永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数。一般来说，获取拟合函数首先需要测量永磁电机在不同情况下的各种参数。然后在不同条件下重复多次测量，通过多次测量后的数据进行归纳以及整理。最后通过归纳以及整理获取q轴电流以及q轴电感之间的拟合函数。

然后，在步骤S102中，检测永磁电机的q轴上的电流，以判断永磁电机当前所处的工况。一般来说，可以用电机控制器来测量永磁电机q轴上的电流。其中，当q轴电流为正时，则永磁电机当前处于牵引工况；当q轴电流为负时，则永磁电机当前处于制动工况。

接着，在步骤S103中，基于当前所处的工况来选择不同的拟合函数进行q轴电流的计算。当永磁电机处于牵引工况时，则选择牵引工况下的函数计算；当永磁电机处于制动工况时，则选择制动工况下的函数计算。

最后，在步骤S104中，根据计算得到q轴电流，电机控制器控制永磁电机发出转矩，以控制永磁电机进行运转。

一般来说，混合动力汽车的牵引驱动系统包含整车控制器(VCU)、电机控制器(MCU)以及永磁电机。其中，整车控制器(VCU)的作用是根据驾驶员的实时牵引以及制动命令和车轮的转速信息，通过计算得到整车的牵引以及制动的需求转矩，并作为电机控制器(MCU)的参考命令。电机控制器的主要功能根据整车控制器(VCU)提供的转矩命令，控制逆变器驱动永磁电机的转矩快速稳定的运转以及采集永磁电机运行相关信息并反馈给整车控制器(VCU)。

图2显示了根据本发明的一个实施例的一种永磁电机标定试验台示意图。如图2所示，标定试验台主要包含高压直流电源、24V低压直流电源、电机控制器、人机接口界面(电脑)、被测电机、测功机、联轴器以及测功机控制台。

其中，测功机通过联轴器与被测永磁电机进行机械连接。在进行电机的标定试验时，测功机控制台控制测功机的转速，测功机拖动永磁电机运行。测功机控制台反馈测功机的转速和转矩，在测功机转矩传感器零点调节准确的情况下，测功机反馈的转矩即电机的转矩。

电机控制器由24V直流电源供电，将高压直流电压逆变成特定幅值和频率的交流电供给被测永磁电机。通过电脑上安装的人机接口界面并通过CAN网络给电机控制发送测试命令，并同时接受电机控制反馈的电机运行的数据以及控制器的状态信号。

在进行永磁电机转矩标定时，测功机拖动被测电机到指定转速。电机控制器控制永磁电机工作在转矩环，即通过电脑上的人机界面给电机控制器发转矩命令。从测功机控制台读取电机此时的电机实际转矩，同时人机界面记录该转矩下的电流，通过这些记录的数据计算可以得出该转矩下电流对应的电感值Lq。通过标定全范围的转矩，可以得到电机q轴电感随q轴电流变化的函数，即L_q＝f(I_q)。

用来计算q轴电感的永磁同步电机的转矩方程如下所示：

其中，Tm为电磁转矩；P为电机极对数；Fm为永磁体主磁通；Iq为q轴电流；Id为d轴电流；Ld为d轴电感；Lq为q轴电感。

另外，电磁转矩Tm与电机的参数有关，如果电机的参数能够校核准确，那么电机也能够准确的输出电磁转矩。由于主磁通Fm以及Ld在电机运行中变化较小，在计算电机q轴电感时忽略Fm和Ld的变化，把这两个参数当作常量。通过标定过程中记录的电流和转矩，可以通过上式计算出q轴电感Lq。

图3显示了根据本发明的一个实施例的获取q轴电感参数流程图。为了获得q轴电感参数，以便进一步获得永磁电机q轴电流以及电感的拟合函数，需要采取如图3所示的步骤，假设电机的峰值转矩2000N.m，将该转矩分成十六个等份，测功机运行在固定转速600r/min，电机运行在向前牵引转矩环，转矩目标命令分别按125N.m、250N.m、375N.m、......、2000N.m来发布。

首先，在步骤S301中，测功机转速环运行在电机恒转矩的一个转速点，即向测功机发送转速环控制指令，以使测功机带动永磁电机工作在恒转矩区。

然后，在步骤S302中，永磁电机运行在转矩环(牵引或制动)，即通过电机控制器向永磁电机发送多条不同的转矩目标指令，以使永磁电机分别在各个转矩环下运行。

接着，在步骤S303中，测功机记录每个转矩点对应的实际转矩，并记录对应的d轴电流、q轴电流。即永磁电机在每个转矩环下稳定运行后，通过测功机检测永磁电机此时的实际转矩，并通过电机控制器检测该实际转矩下的d轴、q轴上的电流值和方向。

最后，在步骤S304中，通过记录的数据来计算q轴电感Lq。即基于电流值和电感值并根据q轴上的电流的方向拟合出不同工况下的q轴上电流和电感之间的函数关系。

在测试过程中，当电机给定转矩稳定后记录此时测功机记录的电机实测转矩，电机控制上位机记录当前电机运行得电流数据。通过记录的转矩数据和电流数据，最终可以得到牵引工况下q轴电感Lq与q轴电流Iq的函数关系。同理，在制动工况下按相同方法可以得到制动工况下q轴电感Lq与q轴电流Iq的函数关系。

由于永磁电机在牵引和制动两种工况下，并且永磁电机的q轴电流Iq的方向在牵引以及制动工况下刚好相反，通常牵引工况下是正电流，制动工况下是负电流(本发明默认牵引工况下Iq为正电流，制动工况下Iq为负电流)。受磁场饱和程度的影响电机的q轴电感势必会由于q轴电流Iq的正负而受到影响，d轴电感在牵引和制动工况下都是负值，因此对d轴电感的影响可以忽略不计。而q轴电感在制动工况下采用牵引工况下标定的参数会存在扭矩偏差。受电机本身特性的影响，有些电机偏差较小，有些电机可能会存在较大的偏差。所以，本发明将牵引工况以及制动工况分开来计算q轴电流的校正值，这样可以提高两种工况下的转矩精度。

图4显示了根据本发明的一个实施例的牵引制动综合考虑的q轴电流Iq计算软件流程图。按图3所示的方法分别得到牵引和制动工况下的q轴电感Lq与q轴电流Iq的函数关系后，将该函数关系分别写入程序中，电机控制软件按图4所示的流程进行运行。

首先，在步骤S401中，程序进入定时中断。然后，在步骤S402中，程序进入电机电压计算模块。接着，在步骤S403中，判断q轴电流的正负号，通过q轴电流的正负号来判定电机是处于牵引工况还是制动工况。最后，在步骤S404中，如果电机处于牵引工况，则使用牵引工况下的函数来计算q轴电流；如果电机处于制动工况，则使用制动工况下的函数来计算q轴电流。

本发明提供的方法的最终目的是使永磁电机在牵引和制动工况下转矩精度都能够提高，实现的方法是需要在永磁电机控制软件当中增加判断电机处于何种工况的模块，同时增加制动工况下电机q轴电感Lq随q轴电流Iq的变化关系。而传统的方法是对电机的工况不作判断，就只有牵引工况下电机q轴电感Lq随q轴电流Iq的变化关系。因此，使用本发明提供的方法来提高不同工况下永磁电机的转矩精度更加合理，效率也更高。

图5显示了一种标定方法的转矩精度数据图。为了验证本发明的正确性和可行性，在一台峰值功率为135Kw、峰值转矩为2000N.m的永磁电机上做了两个试验。

第一个试验采用常规方法标定电机转矩，结果如图5所示，实线代表牵引工况下的误差的折线图，其中，在200N.m至2000N.m的电机转矩范围内转矩误差基本在1.5％以下波动。虚线代表制动工况下的误差折线图，在200N.m至2000N.m的电机转矩范围内，转矩误差都比牵引工况下的转矩误差大且最高点甚至超过了5％。

第二个试验采用了本发明提供的方法，分别拟合牵引和制动两种不同工况下的电感值。然后，在程序中，判断当前电机的运行工况，并选择进入不同参数拟合的函数。

试验结果如图6所示，图6显示了根据本发明的一个实施例的标定方法的转矩精度数据图。实线代表牵引工况下的误差的折线图，虚线代表制动工况下的误差折线图。其中，在200N.m至2000N.m的电机转矩范围内永磁电机无论牵引还是制动工况转矩精度都能保持在1.5％以内。

本发明的有益之处在于，由于预先获取了永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数以及将牵引工况以及制动工况区分开来，分别计算两种工况下的q轴电流校正值，因此使得永磁电机能够精确的执行整车控制的转矩命令，确保永磁电机在牵引和制动情况下转矩精度在全范围达到2％以内，电机的驱动功率以及制动功率的监控的数据的准确性也有所提高，并且还提高了整车驾驶的安全性、操作性以及舒适性。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

预先获取所述永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数；

检测所述永磁电机的q轴上的电流，以判断所述永磁电机当前所处的工况；

基于当前所处的工况来选择不同的拟合函数进行q轴电流的计算；

根据计算得到q轴电流，电机控制器控制所述永磁电机发出转矩，以控制所述永磁电机进行运转。

2.如权利要求1所述的用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法，其特征在于，预先获取所述永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数进一步包括：

向测功机发送转速环控制指令，以使所述测功机带动永磁电机工作在恒转矩区；

通过电机控制器向所述永磁电机发送多条不同的转矩目标指令，以使所述永磁电机分别在各个转矩环下运行；

在所述永磁电机在每个转矩环下稳定运行后，通过测功机检测所述永磁电机此时的实际转矩，并通过电机控制器检测该实际转矩下的d轴、q轴上的电流值和方向，以推算出q轴上的电感值；

基于所述电流值和所述电感值并根据所述q轴上的电流的方向拟合出不同工况下的q轴上电流和电感之间的函数关系。

3.如权利要求1所述的用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法，其特征在于，所述不同的工况包括制动工况和牵引工况，其中在制动工况下，q轴上的电流为负，在牵引工况下，q轴上的电流为正。

4.如权利要求2所述的用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法，其特征在于，

根据所述永磁电机的峰值转矩的大小来发送转矩目标指令，其中多条转矩目标指令中的目标转矩之间的跨度相同。

5.如权利要求2所述的用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法，其特征在于，

通过电机控制器还检测该实际转矩下的d轴上的电流值。

6.如权利要求5所述的用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的方法，其特征在于，

根据永磁电机的转矩方程来推算出q轴电感，转矩方程为：

其中，Tm为电磁转矩；P为电机极对数；Fm为永磁体主磁通，视为常数；Iq为q轴电流；Id为d轴电流；Ld为d轴电感，视为常数；Lq为q轴电感。

7.一种用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的系统，其特征在于，所述系统包括：

拟合函数获取单元，其用以预先获取所述永磁电机在不同工况下的q轴电流与q轴电感之间的拟合函数；

检测单元，其用以检测所述永磁电机的q轴上的电流，以判断所述永磁电机当前所处的工况；

Q轴电流计算单元，其用以基于当前所处的工况来选择不同的拟合函数进行q轴电流的计算；

转矩控制单元，其用以根据计算得到q轴电流，电机控制器控制所述永磁电机发出转矩，以控制所述永磁电机进行运转。

8.如权利要求7所述的用于提高不同工况下永磁电机的转矩精度的系统，其特征在于，拟合函数获取单元进一步包括：

用以向测功机发送转速环控制指令，以使所述测功机带动永磁电机工作在恒转矩区的模块；

用以通过电机控制器向所述永磁电机发送多条不同的转矩目标指令，以使所述永磁电机分别在各个转矩环下运行的模块；

用以在所述永磁电机在每个转矩环下稳定运行后，通过测功机检测所述永磁电机此时的实际转矩，并通过电机控制器检测该实际转矩下的d轴、q轴上的电流值和方向，以推算出q轴上的电感值的模块；

用以基于所述电流值和所述电感值并根据所述q轴上的电流的方向拟合出不同工况下的q轴上电流和电感之间的函数关系的模块。