CN110247602A

CN110247602A - 用于内嵌式永磁同步电机外特性标定的台架标定系统及相应的标定查表处理方法

Info

Publication number: CN110247602A
Application number: CN201910636385.3A
Authority: CN
Inventors: 肖浩; 郑富辉; 朱莉雅; 蒋冬辉; 陈斌根; 邵勤; 王俊; 孙斌
Original assignee: DONGFENG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: DONGFENG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2019-07-15
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2019-09-17

Abstract

本发明涉及一种台架标定系统，包括被测电机，用于进行计算测试；高速测功机，与所述的被测电机相连接，用于拖动被测电机来运转；下位机电控系统，与所述的被测电机相连接，用于对被测电机进行力矩控制；上位机测试系统，与所述的下位机电控系统相连接，用于对所述的下位机电控系统下发命令和数据传输。本发明还涉及一种进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法。采用了该用于内嵌式永磁同步电机外特性标定的台架标定系统及进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法，本发明的标定方法只需要在一个转速下全电流对电机进行标定，其他转速下均采用计算机自动化实现标定过程，与传统标定方法相比大幅度提高了标定速度与效率，减小了由于人为因素带来的误差，节约了人力成本。

Description

用于内嵌式永磁同步电机外特性标定的台架标定系统及相应的标定查表处理方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及新能源汽车电机控制领域，具体是指一种用于内嵌式永磁同步电机外特性标定的台架标定系统及进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法。

背景技术

大力发展新能源汽车行业日益成为我国乃至全球汽车行业发展的大趋势，传统内燃汽车以石油为主要动力来源，尾气排放不仅污染空气，而且加速了不可再生能源的消耗，威胁社会可持续发展的主题，逐步以新能源动力汽车替代传统燃油车是实现人类可持续发展的重要战略。

新能源动力汽车以电能为主要动力来源，通过电机实现电能与动能之间的转换，内置式永磁同步电机具有：功率密度大、较宽的转速输出范围，较高的功率因数等优点，其作为电动汽车动力转换装置正成为新的研究方向。

如何实现全转速范围内的弱磁调速是内置式永磁同步电机控制的重点和难点，对此国内外学术研究者做了大量的研究工作，目前弱磁控制主流采用定子磁链定向的矢量控制策略，某一固定转速下，电压饱和点之前，电流分配沿着最大转矩电流比(MaximumTorque Per Ampere，MTPA)曲线，饱和点之后，电流分配沿着电压极限椭圆，直到到达控制器最大输出电流。以此为基础的弱磁算法有：电机模型公式计算法、查表法、id补偿法等。

电机模型公式计算法需要提前获取电机外特性数据，包括：定子磁链、定子电阻、动态d轴电感Ld，动态q轴电感Lq，而由于这些参数(特别是Ld、Lq)会随着电机输入电流以及温度的变化而变化，导致公式法在实际应用中意义不大。id补偿法是根据电流调节器输出电压与理论母线电压利用率比较，若电流调节器输出电压超过设定值，则进一步加大-id，使得弱磁深度进一步加深，但该方法在深度弱磁区域很难保证输出力矩要求，且很容易导致电流调节器饱和，使得电流失去控制。在汽车这种安全可靠性要求严格的应用领域，该方法也很难实施。查表法是目前新能源汽车电控领域最常用的控制方法，该方法需要提前对电机外特性进行标定，在不同转速下寻找出最优的电流组合，最后导入软件工程，形成完整的电流Map表，传统的查表法需要进行大量的前期实验用于获得海量的电机外特性数据，花费周期长。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种准确性高、操作简便、适用范围较为广泛的用于内嵌式永磁同步电机外特性标定的台架标定系统及进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法。

为了实现上述目的，本发明的用于内嵌式永磁同步电机外特性标定的台架标定系统及进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法如下：

该台架标定系统，其主要特点是，所述的系统包括：

被测电机，用于进行计算测试；

高速测功机，与所述的被测电机相连接，用于拖动被测电机来运转；

下位机电控系统，与所述的被测电机相连接，用于对被测电机进行力矩控制；

上位机测试系统，与所述的下位机电控系统相连接，用于对所述的下位机电控系统下发命令和数据传输。

该利用上述系统进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)用毫欧表测试得到电机定子电阻R_s；

(2)测功机拖动被测电机在低转速条件下转动，上位机测试系统向控制器下发固定大小的电流命令，所述的电流命令遍历q轴负半轴，记录下此刻的i_d、i_q、T_e、u_d、u_q，其中，i_d、i_q、u_d、u_q分别为d、q轴坐标系下的电流与电压分量，由下位机电控系统通过CAN总线上传到上位机测试系统，T_e为电机输出电磁力矩，由扭矩传感器上传到上位机测试系统；

(3)增大输入电流，重复步骤(2)，记录下此刻的i_d、i_q、T_e、u_d、u_q，直到输出电流达到控制器最大输出电流极限，得到遍历图形；

(4)根据记录下的i_d、i_q、T_e、u_d、u_q以及当前转速根据电机电压方程，通过MATLAB工具拟合得到以及T_e～(i_d、i_q)曲面关系式；

(5)根据T_e～(i_d、i_q)曲面关系式得到多组满足输出力矩要求的i_d、i_q组合。

较佳地，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.1)在不同转速下，根据输出转矩要求，遍历i_d、i_q，根据T_e～(i_d、i_q)曲面关系式得到多组满足输出力矩要求的i_d、i_q组合；

(5.2)将拟合得到的曲面关系和以及定子电阻R_s带入电压方程，保证该组合i_d、i_q不会超过极限电压椭圆，且最小，此时的i_d、i_q组合便是最优组合。

较佳地，所述的步骤(2)中的低转速条件为保证i_d＝0，i_q＝I_max和i_d＝0，i_q＝-I_max时落到极限电压椭圆边界内。

较佳地，所述的步骤(2)中上位机测试系统按照固定步长增加输入电流，并不断调整电流偏角，使电流能够遍历Iq负半平面。

采用了本发明的用于内嵌式永磁同步电机外特性标定的台架标定系统及进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法，本发明的标定方法只需要在一个转速下全电流对电机进行标定，其他转速下均采用计算机自动化实现标定过程，与传统标定方法相比大幅度提高了标定速度与效率，减小了由于人为因素带来的误差，节约了人力成本。

附图说明

图1为本发明的台架标定系统示意图。

图2为本发明的进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法的弱磁控制电流轨迹示意图。

图3为本发明的进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法的电流遍历示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该用于内嵌式永磁同步电机外特性标定的台架标定系统，其中包括：

被测电机，用于进行计算测试；

本发明的该利用上述系统进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法，其中包括以下步骤：

(1)用毫欧表测试得到电机定子电阻R_s；

(5)根据T_e～(i_d、i_q)曲面关系式得到多组满足输出力矩要求的i_d、i_q组合；

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)中的低转速条件为保证i_d＝0，i_q＝I_max和i_d＝0，i_q＝-I_max时落到极限电压椭圆边界内。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)中上位机测试系统按照固定步长增加输入电流，并不断调整电流偏角，使电流能够遍历Iq负半平面。

本发明的具体实施方式中，传统的查表法需要进行大量的前期实验用于获得海量的电机外特性数据，时间花费大(1-2周)，效率低。针对传统查表法存在的问题，本发明专利提出一种新式内嵌式永磁同步电机标定查表法，可在短(2-3天)时间内获取电机外特性Map表。说明书附图1中的高速测功机即为权利要求书及说明书中的高速测功机。

根据内嵌式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM)稳态数学模型可以得到：

(1)电压方程：

(2)磁链方程：

(3)电磁转矩方程：

式中：u_d、u_q、i_d、i_q、为定子d、q轴电压、电流和磁链；L_d、L_q、R_s分别为d、q轴电感以及定子电阻；为永磁体磁链，T_e、ω_e分别为电机输出电磁转矩和转子电机角速度，p为电机极对数。

不同转速下的电流轨迹将受到控制器输出电流能力以及母线电压u_dc的限制。

母线电压限制：

采用空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制，不采用电压过调制策略条件下，逆变器最大输出相电压：

将公式(4)带入公式(1)得到：

从公式(5)可以看出，受到直流母线电压的限制，极限电压是一个以为中心的椭圆，且随着转速的升高，椭圆逐渐向内收缩。

控制器最大输出电流限制：

假设控制器最大输出电流幅值为I_max，则存在：

在极限电压椭圆以及极限电流圆的限制下，不同转速下弱磁控制电流轨迹如说明书附图1所示。

低转速ω₁时，电流轨迹沿着最大转矩电流比寻优如图1所示OAB曲线，中高转速ω₂时沿着OBC运行，高转速ω₃时沿着DA₂运行，其中A₂为最大输出功率轨迹(等转矩曲线的切线与电流极限圆的交点)。

终上所述，IPMSM查表弱磁控制就是为了获得不同转速下电流轨迹曲线。

针对传统标定方法过程繁琐，标定周期长的缺点，提出了一种新的标定查表法，根据公式(1)、(2)、(3)可知，受到磁饱和影响，电机参数中动态变化量为L_d、L_q以及负载(忽略定子电阻的影响)，这些量随着输入i_d、i_q的大小而变化，如果能够提前得出这些量与i_d、i_q变化的曲面关系，就能提前快速根据公式(1)、(2)、(3)获得标定数据。

新式IPMSM标定步骤如下：

1、用毫欧表测试得到电机定子电阻R_s；

2、在低转速条件下(保证i_d＝0，i_q＝I_max和i_d＝0，i_q＝-I_max时落到极限电压椭圆边界内)，以固定大小电流，不同i_d、i_q组合遍历q轴负半轴，记录下此刻的i_d、i_q、T_e、u_d、u_q；

3、增大输入电流，重复步骤(2)，记录下此刻的i_d、i_q、T_e、u_d、u_q，直到输出电流达到控制器最大输出电流极限，得到遍历图形；(步骤2和3程均可由上位机直接发控制命令，下位机反馈系统输出包括u_d、u_q、i_d、i_q，扭矩传感器上传扭矩值T_e到上位机，上位机以报表的形式记录i_d、i_q、T_e、u_d、u_q)；

4、根据记录下的i_d、i_q、T_e、u_d、u_q以及当前转速根据公式(1)，可以在MATLAB工具下拟合得到以及T_e～(i_d、i_q)的曲面关系式。

5、在MATLAB工具下编写脚本文件，在不同转速下，根据输出转矩要求，遍历i_d、i_q，根据T_e～(i_d、i_q)曲面关系式得到多组满足输出力矩要求的i_d、i_q组合，在该组合中继续寻优。将拟合得到的曲面关系和以及定子电阻R_s带入公式(1)，保证该组合i_d、i_q不会超过极限电压椭圆，且最小，此时的i_d、i_q组合便是最优组合。

新的标定方法只需要在一个转速下全电流对电机进行标定，其他转速下均采用计算机自动化实现标定过程，大幅度提高了标定速度与效率。

按照图2所示，测功机拖动被测电机以运转，保证i_d＝0，i_q＝I_max和i_d＝0，i_q＝-I_max时落到极限电压椭圆边界内，上位机按照固定步长增加输入电流，并不断调整电流偏角，使得电流能够遍历Iq负半平面，如图3所示，下位机反馈i_d、i_q、T_e、u_d、u_q，上位机以报表形式存储。

将上位机获取的数据在MATLAB里进一步拟合以及寻优处理，获取不同转速下不同扭矩下的最优电流组合，做表后导入软件工程，标定工作完成，新的标定方法只需要在一个转速下全电流对电机进行标定，其他转速下均采用计算机自动化实现标定过程，大幅度提高了标定速度与效率。

本发明的具体实施例如下：

以一定子相电阻6毫欧、台拐点转速为4000rpm，最高转速为12000rpm、峰值扭矩为300N的IPMSM为例，控制器最大输入电流500A(保证电机输出最大扭矩)；

首先得实验得到在2000rpm时保证i_d＝0，i_q＝I_max和i_d＝0，i_q＝-I_max时落到极限电压椭圆边界内，输入电流以25A为起点，电流d、q轴夹角由90度逐渐偏向270度遍历，步长5度，遍历结束后电流以固定步长增加25A，电流d、q轴夹角由90度逐渐偏向270度遍历，重复直到电流输出500A，此过程由上位机独自完成。

遍历结束后获得i_d、i_q、T_e、u_d、u_q数据，在MATLAB工具下拟合得到以及T_e～(i_d、i_q)的曲面关系式，在MATLAB工具下编写脚本文件，在不同转速下，根据输出转矩要求，遍历i_d、i_q，根据T_e～(i_d、i_q)曲面关系式得到多组满足输出力矩要求的i_d、i_q组合，在该组合中继续寻优。将拟合得到的曲面关系和以及定子电阻R_s带入公式(1)，保证该组合i_d、i_q不会超过极限电压椭圆，且最小，此时得到的i_d、i_q组合便是最优组合，做表后导入软件工程，标定工作完成。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种用于内嵌式永磁同步电机外特性标定的台架标定系统，其特征在于，所述的系统包括：

被测电机，用于进行计算测试；

2.一种利用权利要求1所述的系统进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)用毫欧表测试得到电机定子电阻R_s；

(2)高速测功机拖动被测电机在低转速条件下转动，上位机测试系统向控制器下发固定大小的电流命令，所述的电流命令遍历q轴负半轴，记录下此刻的i_d、i_q、T_e、u_d、u_q，其中，i_d、i_q、u_d、u_q分别为d、q轴坐标系下的电流与电压分量，由下位机电控系统通过CAN总线上传到上位机测试系统，T_e为电机输出电磁力矩，由扭矩传感器上传到上位机测试系统；

3.根据权利要求2所述的进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.2)将拟合得到的曲面关系和以及定子电阻R_s带入电机输出电压方程，保证该组合i_d、i_q不会超过极限电压椭圆，且最小，此时的i_d、i_q组合便是最优组合。

4.根据权利要求2所述的进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的低转速条件为保证i_d＝0，i_q＝I_max和i_d＝0，i_q＝-I_max时落到极限电压椭圆边界内。

5.根据权利要求2所述的进行内嵌式永磁同步电机外特性标定查表处理的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中上位机测试系统按照固定步长增加输入电流，并不断调整电流偏角，使电流能够遍历Iq负半平面。