CN109861613A - 一种电机的输出转矩的计算方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机的输出转矩的计算方法、装置及电子设备，涉及电机技术领域，该方法应用于机动车的控制器，包括：根据电机的输入交流功率和电机的损耗功率，计算得到电机的输出机械功率；电机的损耗功率包括铜损和杂余损耗；获取电机的当前转速；求取电机的输出机械功率与电机的当前转速的比值，将比值作为电机的输出转矩。本发明能够提高电机的输出转矩的精度。

Description

一种电机的输出转矩的计算方法、装置及电子设备

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其是涉及一种电机的输出转矩的计算方法、装置及电子设备。

背景技术

为保证机动车的行驶安全，需要对机动车上电机的运转进行实时监控，其中，关键是要对反映电机性能的输出转矩这一指标进行检测。但机动车，诸如电动汽车由于安装空间有限、环境恶劣，不可以通过在其传动轴上安装扭矩传感器检测电机的输出转矩，只能对实际的输出转矩进行估算。

目前，通常根据基于电机参数所建立的理论数学模型，计算电机的输出转矩，计算结果会受到电机中的相关参数，诸如电机磁链、电感、转子位置的影响而产生偏差，不确定性较强，通过这样的方式计算得到的输出转矩的精度不高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电机的输出转矩计算方法、装置及电子设备，以提高电机的输出转矩的精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种电机的输出转矩计算方法，应用于机动车的控制器，包括：根据电机的输入交流功率和电机的损耗功率，计算得到电机的输出机械功率；电机的损耗功率包括铜损和杂余损耗；获取电机的当前转速；求取电机的输出机械功率与电机的当前转速的比值，将比值作为电机的输出转矩。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述方法还包括：采集电机的直轴上的第一实际电流和电机的交轴上的第二实际电流；基于预设的电机矢量控制器，获取电机的直轴上的第一控制电压及电机的交轴上的第二控制电压；根据第一实际电流、第一控制电压、第二实际电流和第二控制电压，计算得到电机的输入交流功率。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，基于预设的电机矢量控制器，获取电机的直轴上的第一控制电压及电机的交轴上的第二控制电压的步骤，包括：当监测到司机踩下机动车的油门时，获取油门的位置信息，并根据油门的位置信息确定电机的控制转矩；根据最大转矩电流比控制算法，基于控制转矩分别计算得到电机的直轴上的第一控制电流，及电机的交轴上的第二控制电流；基于预设的电机矢量控制器，根据第一控制电流和第一实际电流的差值，确定电机的直轴上的第一控制电压，及根据第二控制电流和第二实际电流的差值，确定电机的交轴上的第二控制电压。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述电机的输入交流功率，通过以下公式计算得到：其中，P_ac为电机的输入交流功率；表示第一控制电压；表示第二控制电压；i_d表示第一实际电流；i_q表示第二实际电流。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面第四种可能的实施方式，其中，铜损通过以下方式得到：P_cu＝3×i²×R_s(T)；其中，P_cu为铜损；i为电机中定子绕组的电流值；R_s(T)为电机中定子绕组的当前电阻值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，杂余损耗通过以下方式得到：从预设的损耗信息表中查找到与当前转速对应的杂余损耗；损耗信息表为基于离线检测得到电机在多个不同转速下对应的损耗信息所构建的。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，电机矢量控制器为MCU控制器。

第二方面，本发明实施例提供了一种电机的输出转矩计算装置，设置于机动车的控制器，包括：输出机械功率计算模块，用于根据电机的输入交流功率和电机的损耗功率，计算得到电机的输出机械功率；转速获取模块，用于获取电机的当前转速；转矩计算模块，用于求取电机的输出机械功率与电机的当前转速的比值，将比值作为电机的输出转矩。

第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现第一方面至第一方面第六种可能的实施方式任一项所述的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行第一方面至第一方面的第六种可能的实施方式任一项所述的方法的步骤。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供了一种电机的输出转矩计算方法、装置及电子设备，该方法应用于机动车的控制器，首先根据电机的输入交流功率和电机的损耗功率，计算得到电机的输出机械功率，并获取电机的当前转速；然后求取电机的输出机械功率与电机的当前转速的比值，将比值作为电机的输出转矩。本发明实施例提供的上述方式，根据能量守恒原理，首先基于电机的输入交流功率和电机的损耗功率得到电机的输出机械功率，进而根据电机的输出机械功率和电机当前转速，计算得到电机的输出转矩，相较于现有技术基于电机参数所建立的理论数学模型计算电机的输出转矩的方式，不受电机相关参数的影响而产生偏差，能够有效地提高电机的输出转矩的精度。

本发明的其他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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电机的输出转矩计算方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种电机矢量控制器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电机的输出转矩计算装置的结构框图；

图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为保证机动车的行驶安全，需要对机动车上电机的运转进行实时监控，其中，关键是要对反映电机性能的输出转矩这一指标进行检测。在机动车中，诸如电动汽车，电机多采用永磁同步电机。电机主控制器MCU(Motor Control Unit)接收整车控制器VCU(VehicleControl Unit)的转矩指令，控制永磁电机的输出转矩。由于受电机制造工艺影响，电机实际的电气参数和设计值有偏差，再加上电机位置传感器、电机温度对磁钢的影响等因素，电机实际输出的转矩和转矩指令有偏差。例如，电机温度从-40℃升高到150℃，永磁体磁密会下降10％～20％，同样电流下，电机输出转矩会下降10％以上。由于车内安装空间有限、环境恶劣，不可以通过在其传动轴上安装扭矩传感器检测电机的输出转矩，只能对实际的输出转矩进行估算。

目前，通常根据基于电机参数所建立的理论数学模型，计算电机的输出转矩，具体的，如以下公式所示：

T_e＝1.5×p×(λ_mi_q+(L_d-L_q)×i_d×i_q)；

其中，T_e为电机的输出转矩，p为电机极对数，λ_m为永磁体磁链，L_d为电机的直轴上的电感，L_q为电机的交轴上的电感，i_d为电机的直轴上的电流，i_q为电机的交轴上的电流。

通常电机极对数为确定的数；电机三相电流的数值可以电流传感器准确测量，然后根据park变换，分解为i_d和i_q，该过程依赖电机转子位置的准确性；电机电感是随着电流大小会发生饱和，其L_d和L_q会在一个较大范围内变化。永磁体磁链λ_m受磁钢参数、磁钢安装位置、环境温度等因素影响严重。且，上述公式为数学简化，电机本身很复杂，不确定性因素太多，利用数学模型计算电机的输出转矩，对电机参数严重依赖。诸如当上式中的λ_m、L_d和L_q偏差10％左右时，输出转矩也会跟着偏差10％左右，产生等数量级偏差。故通过这样的方式所计算得到的电机的输出转矩的精度较差。

基于此，本发明实施例提供的一种电机的输出转矩的计算方法、装置及电子设备，可以提高电机的输出转矩的精度。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种电机的输出转矩的计算方法进行详细介绍，该方法应用于机动车的控制器，参见图1所示的一种电机的输出转矩的计算方法的流程图，该方法包括：

步骤S102，根据电机的输入交流功率和电机的损耗功率，计算得到电机的输出机械功率；

其中，电机的损耗功率包括铜损和杂余损耗；杂余损耗包括铁损、机械损耗。

将电机的输入交流功率记为P_ac，电机内部的损耗功率分别记为铜损P_cu，铁损P_fe和机械损耗P_{mec_loss}，电机通过传动轴输出的是机械功率P_mec，根据能量守恒原理，存在以下等式：

P_ac＝P_mec+P_cu+P_fe+P_{mec_loss}

P_mec＝P_ac-P_cu-P_fe-P_{mec_loss}

也即，电机的输入交流功率减去电机的损耗功率即可得到电机的输出机械功率。

步骤S104，获取电机的当前转速。

具体的实际应用时，可通过预设在机动车内与电机关联的旋转变压器采集电机的转速及位置。

步骤S106，求取电机的输出机械功率与电机的当前转速的比值，将比值作为电机的输出转矩。

T_e＝P_mec/ω＝P_ac-P_cu-P_fe-P_{mec_loss}/ω；

其中，T_e为电机的输出转矩；P_mec为电机的输出机械功率；ω为电机的当前转速；P_ac为电机的输入交流功率；P_cu为铜损；P_fe为铁损；P_{mec_loss}为机械损耗。

本发明实施例提供了一种电机的输出转矩计算方法，应用于机动车的控制器，首先根据电机的输入交流功率和电机的损耗功率，计算得到电机的输出机械功率，并获取电机的当前转速；然后求取电机的输出机械功率与电机的当前转速的比值，将比值作为电机的输出转矩。本发明实施例提供的上述方式，根据能量守恒原理，首先基于电机的输入交流功率和电机的损耗功率得到电机的输出机械功率，进而根据电机的输出机械功率和电机当前转速，计算得到电机的输出转矩，相较于现有技术基于电机参数所建立的理论数学模型计算电机的输出转矩的方式，不受电机相关参数的影响而产生偏差，能够有效地提高电机的输出转矩的精度。

进一步，为便于实施，本发明实施例提供了一种电机的输入交流功率的计算方式，包括以下步骤：

步骤(1)，采集电机的直轴上的第一实际电流和电机的交轴上的第二实际电流；

步骤(2)，基于预设的电机矢量控制器，获取电机的直轴上的第一控制电压及电机的交轴上的第二控制电压；其中，该电机矢量控制器可采用MCU控制器。

步骤(3)，根据第一实际电流、第一控制电压、第二实际电流和第二控制电压，计算得到电机的输入交流功率，如下公式所示：

其中，P_ac为电机的输入交流功率；表示第一控制电压；表示第二控制电压；i_d表示第一实际电流；i_q表示第二实际电流。

具体的，在一种可选的方式中，上述步骤(2)，也即基于预设的电机矢量控制器，获取电机的直轴上的第一控制电压及电机的交轴上的第二控制电压可参照以下方式实施:

(1)当监测到司机踩下机动车的油门时，获取油门的位置信息，并根据油门的位置信息确定电机的控制转矩；

具体实施时，可根据司机踩下油门时油门的位置信息和油门在初始状态时的位置信息，获取油门被压下的偏移距离；进而基于此偏移距离确定司机踩油门的力度；整车控制器VCU将该力度转换为电机的控制转矩。

(2)根据最大转矩电流比控制算法，基于控制转矩分别计算得到电机的直轴上的第一控制电流，及电机的交轴上的第二控制电流。

(3)基于预设的电机矢量控制器，根据第一控制电流和第一实际电流的差值，确定电机的直轴上的第一控制电压，及根据第二控制电流和第二实际电流的差值，确定电机的交轴上的第二控制电压。

具体的，如图2所示，本发明实施例提供了一种电机矢量控制器的结构示意图。该电机矢量控制器中设置有PI(Proportional Integral，比例积分)调节器，在通过前述最大转矩电流比控制算法，基于VCU发送来的控制转矩计算得到DQ轴的电流给定值(也即，电机的直轴上的第一控制电流及电机的交轴上的第二控制电流)，然后分别将第一控制电流与第一实际电流i_d的差值以及第二控制电流与表示第二实际电流i_q作为PI调节器的输入，经过PI调节器即输出DQ轴电压给定值(也即，电机的直轴上的第一控制电压及电机的交轴上的第二控制电压)。此外，DQ电压给定值通过反PARK变化和SVPWM，换算成三相IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)桥的占空比值，然后变成PWM脉冲信号，送给底层IGBT驱动，其中，逆变器为IGBT的功率单元，用于接收PWM信号，将直流变为交流，控制电机，诸如图2中所示的永磁电机。

进一步，上述铜损主要包括线圈直流电阻产生的损耗和由于高频交变磁场趋肤效应在绕组中产生的高频附加损耗，具体实施时，铜损可通过以下方式得到：

P_cu＝3×i²×R_s(T)；

其中，P_cu为铜损；i为电机中定子绕组的电流值；R_s(T)为电机中定子绕组的当前电阻值，表示电阻随温度的变化而变化，将温度对电阻值的影响考虑在内实时获取电阻值，能够提高铜耗计算的准确性。

进一步，上述杂余损耗包括铁损、机械杂散损耗等。这些损耗难以通过建立数学模型进行准确计算，且在整个交流功率中占比不大，其准确性对输出机械功率的计算影响很小。故这部分值可通过离线测量，也即在电机未安装于机动车之前利用转矩仪直接测量的方式得到；然后在线计算时，也即将电机安装在机动车中其输出转矩时读取该部分值即可，具体的上述杂余损耗可通过以下方式得到：

从预设的损耗信息表中查找到与当前转速对应的杂余损耗；损耗信息表为基于离线检测得到电机在多个不同转速下对应的损耗信息所构建的。损耗信息包括杂余损耗，诸如铁损、机械损耗。

也即其中，P_loss为杂余损耗；P_fe为鉄损；P_{mec_loss}为机械损耗；为损耗信息表。

对应上述方法，本发明实施例一种电机的输出转矩的计算装置，设置于机动车的控制器，参见图3，该装置包括：

输出机械功率计算模块302，用于根据电机的输入交流功率和电机的损耗功率，计算得到电机的输出机械功率；

转速获取模块304，用于获取电机的当前转速；

转矩计算模块306，用于求取电机的输出机械功率与电机的当前转速的比值，将比值作为电机的输出转矩。

本发明实施例提供了一种电机的输出转矩计算装置，设置于机动车的控制器，首先根据电机的输入交流功率和电机的损耗功率，计算得到电机的输出机械功率，并获取电机的当前转速；然后求取电机的输出机械功率与电机的当前转速的比值，将比值作为电机的输出转矩。本发明实施根据能量守恒原理，首先基于电机的输入交流功率和电机的损耗功率得到电机的输出机械功率，进而根据电机的输出机械功率和电机当前转速，计算得到电机的输出转矩，相较于现有技术基于电机参数所建立的理论数学模型计算电机的输出转矩的方式，不受电机相关参数的影响而产生偏差，能够有效地提高电机的输出转矩的精度。

本实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

进一步，本实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述电机的输出转矩的计算方法的步骤。

参见图4所示的一种电子设备的结构示意图，示出了电子设备400，包括：处理器40，存储器41，总线42和通信接口43，处理器40、通信接口43和存储器41通过总线42连接；处理器40用于执行存41中存储的可执行模块，例如计算机程序。

其中，存储器41可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口43(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。

总线42可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器41用于存储程序401，处理器40在接收到执行指令后，执行程序401，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器40中，或者由处理器40实现。

处理器40可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器40中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器40可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器41，处理器40读取存储器41中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

进一步，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述任一项电机的输出转矩的计算方法的步骤。具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电机的输出转矩的计算方法，其特征在于，应用于机动车的控制器，包括：

根据电机的输入交流功率和所述电机的损耗功率，计算得到所述电机的输出机械功率；所述电机的损耗功率包括铜损和杂余损耗；

获取所述电机的当前转速；

求取所述电机的输出机械功率与所述电机的当前转速的比值，将所述比值作为所述电机的输出转矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

采集所述电机的直轴上的第一实际电流和所述电机的交轴上的第二实际电流；

基于预设的电机矢量控制器，获取所述电机的直轴上的第一控制电压及所述电机的交轴上的第二控制电压；

根据所述第一实际电流、所述第一控制电压、所述第二实际电流和所述第二控制电压，计算得到所述电机的输入交流功率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于预设的电机矢量控制器，获取所述电机的直轴上的第一控制电压及所述电机的交轴上的第二控制电压的步骤，包括：

当监测到司机踩下所述机动车的油门时，获取所述油门的位置信息，并根据所述油门的位置信息确定所述电机的控制转矩；

根据最大转矩电流比控制算法，基于所述控制转矩分别计算得到所述电机的直轴上的第一控制电流，及所述电机的交轴上的第二控制电流；

基于预设的电机矢量控制器，根据所述第一控制电流和所述第一实际电流的差值，确定所述电机的直轴上的第一控制电压，及根据所述第二控制电流和第二实际电流的差值，确定所述电机的交轴上的第二控制电压。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电机的输入交流功率，通过以下公式计算得到：

其中，P_ac为所述电机的输入交流功率；所述表示所述第一控制电压；所述表示所述第二控制电压；所述i_d表示所述第一实际电流；所述i_q表示所述第二实际电流。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铜损通过以下方式得到：

P_cu＝3×i²×R_s(T)；

其中，所述P_cu为所述铜损；所述i为所述电机中定子绕组的电流值；所述R_s(T)为所述电机中定子绕组的当前电阻值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述杂余损耗通过以下方式得到：

从预设的损耗信息表中查找到与所述当前转速对应的所述杂余损耗；所述损耗信息表为基于离线检测得到所述电机在多个不同转速下对应的损耗信息所构建的。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电机矢量控制器为MCU控制器。

8.一种电机的输出转矩的计算装置，其特征在于，设置于机动车的控制器，包括：

输出机械功率计算模块，用于根据电机的输入交流功率和所述电机的损耗功率，计算得到所述电机的输出机械功率；

转速获取模块，用于获取所述电机的当前转速；

转矩计算模块，用于求取所述电机的输出机械功率与所述电机的当前转速的比值，将所述比值作为所述电机的输出转矩。

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行上述权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。