CN110504883A - 一种永磁同步电机的磁链辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的磁链辨识方法，主要解决现有技术中存在的现有测定磁链方法需要专门的测试台架及电压测试仪器，测试条件要求较高，不易实现的问题。该一种永磁同步电机的磁链辨识方法首先使永磁同步电机处于空载开环模式，然后求得第k次实验下永磁同步电机的磁链ψ_f(k)，最后计算出永磁同步电机磁链平均值ψ_f。通过上述方案，本发明达到了简化了磁链辨识所需条件，降低了辨识难度的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种永磁同步电机的磁链辨识方法

技术领域

本发明涉及电动汽车永磁同步电机控制技术领域，更为具体的讲，涉及一种电动汽车永磁同步电机的电机磁链参数辨识方法。

背景技术

永磁同步电机是一个多变量、高阶、非线性、强耦合的被控对象，其诸多参数在电机设计之初便已经确定，但由于电机设计和实际制造之间会存在差异，所以实际电机参数与电机设计参数存在差别。电机磁链是永磁同步电机控制系统中所需的重要控制参数，其实际数值往往会和本身设计数值出现差异，所以对电机磁链的测定对永磁同步电机控制具有重要的意义。

目前，测定磁链的传统方法是通过电机对拖实验台使电机处于旋转状态，使用测量仪器测出电机电压幅值及电机转子转速来计算电机磁链，该方法需要专门的测试台架及电压测试仪器，测试条件要求较高，不易实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步电机的磁链辨识方法，以解决现有测定磁链方法需要专门的测试台架及电压测试仪器，测试条件要求较高，不易实现的问题。

为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

一种永磁同步电机的磁链辨识方法包括以下步骤：

(S1)使永磁同步电机处于空载开环模式，通过上位机逐渐增大电机驱动控制器交轴电压U_q的输出使永磁同步电机开始转动；设试验次数k，并令k＝1；

(S2)求取p₁倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q1和转速平均值ω₁；

(S3)求取p₂倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q2和转速平均值ω₂；

(S4)根据步骤(S1)至步骤(S3)求得第k次实验下永磁同步电机的磁链ψ_f(k)；

(S5)令实验次数k＝k+1，重复步骤(S1)至步骤(S4)，每次实验计算出的永磁同步电机磁链记为ψ_f(1)、ψ_f(2)、…ψ_f(k)；

(S6)计算出永磁同步电机磁链平均值ψ_f。

具体地，步骤(S1)中是通过上位机设定指令值使电机驱动控制器控制永磁同步电机工作于空载开环控制模式；所述电机驱动控制器是永磁同步电机与电池之间的电能逆变单元，通过上位机对电机驱动控制器进行控制，进而控制永磁同步电机输出一定大小的机械转矩或维持转速运行。

具体地，试验次数k大于等于10。

具体地，步骤(S2)的具体过程为：通过上位机设置交轴电压U_q使永磁同步电机转速达到p1倍额定转速ω₀，保持此转速使电机稳定运行，等待一段时间t₁，然后均匀采集n个转速采样值ω₁₁、ω₁₂…ω_1n，并求出转速平均值ω₁,n＞0；记录此步骤中的实验数据，p₁倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q1和转速ω₁。

具体地，步骤(S2)的具体过程为：通过上位机设置交轴电压U_q使永磁同步电机转速达到p₂倍额定转速ω₀，保持此转速使电机稳定运行，等待一段时间t₂，然后均匀采集n个转速采样值ω₂₁、ω₂₂…ω_2n，并求出转速平均值ω₂,n＞0；记录此步骤中的实验数据，即p₂倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q2和转速ω₂。

具体地，所述p₁倍额定转速ω₀和p₂倍额定转速ω₀中p₁和p₂为实验测试点电机转速系数；额定转速ω₀为基准转速，在额定转速以下进行辨识，p₁和p₂取值范围[0，1]且p₁＜p₂；电机额定转速ω₀通过电机铭牌得知，测试点的永磁同步电机转速分别为p₁ω₀和p₂ω₀。

具体地，步骤(S2)和(S3)中转速平均值ω₁和ω₂分别指在两次测试点各自进行n次采样后得到n个数据ω₁₁、ω₁₂、…ω_1n和ω₂₁、ω₂₂、…ω_2n，然后分别进行求平均计算，得到在两次测试点各自的转速平均值；计算公式如下：

具体地，步骤(S4)中第k次实验下永磁同步电机的磁链ψ_f(k)是各次实验根据磁链计算公式计算得到，其公式如下：

式中，U_q1、U_q2为测试点转速p₁ω₀和p₂ω₀下对应的交轴电压，P为被测电机极对数，ω₁和ω₂为测试点转速平均值，磁链ψ_f(k)为已经从等功率量转换为等模量的值。

具体地，步骤(S6)的公式如下：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种电动汽车永磁同步电机的磁链辨识方法，该方法简化了磁链辨识所需条件，降低了辨识难度。直接利用电机驱动控制器在永磁同步电机空载情况下进行磁链辨识，操作过程简单、快速。

附图说明

图1为本发明的永磁同步电机开环控制系统框图。

图2为本发明的磁链辨识流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

本发明不需要专门的电机对拖实验台及电压测试仪器，降低了磁链辨识难度。利用电机驱动控制器在电机空载情况下即可以实现快速的磁链辨识。

永磁同步电机磁链辨识方法，其步骤如下：

步骤一：通过上位机设定指令值使电机驱动控制器控制永磁同步电机工作于空载开环控制模式。然后，通过上位机逐渐增大电机驱动控制器交轴电压U_q输出使永磁同步电机开始转动，设试验次数k，并令k＝1。

所述电机驱动控制器是指电机与电池之间的电能逆变单元，通过上位机对电机驱动控制器进行控制，进而控制电机输出一定大小的机械转矩或维持一定转速运行。本发明中的电机驱动控制器只需要满足能控制电机进行开环运行即可。

所述空载是指永磁同步电机转子轴端不带任何拖动负荷，空载情况下辨识出的电机磁链ψ_f最接近实际值。若在使用本发明方法过程中电机带载，那么会导致相对空载情况相同交轴电压U_q下电机转速偏小，进而导致磁链辨识结果偏大。

所述开环控制模式是指永磁同步电机的一种运行模式。以永磁同步电机矢量控制为基础，去掉了矢量控制中的Clark变换、Park变换和PI控制器等环节，使闭环的矢量控制变成开环，所以称为永磁同步电机开环控制模式。在该控制模式下，直接通过上位机输入交轴电压U_q，并在控制系统中令直轴电压U_d＝0。交轴电压U_q经过矢量控制中Park逆变换及SVPWM调制模块后控制电机。

所述交轴电压U_q是指永磁同步电机矢量控制d-q坐标系中q轴电压矢量输出值。在闭环矢量控制中，通过坐标变换将电机三相交流坐标系转化成两相d-q坐标系，对d-q坐标系下的q轴电压矢量(交轴电压)和d轴电压矢量(直轴电压)分别进行控制就能实现对三相交流永磁同步电机的控制。本发明中使用开环控制是基于等功率变换的矢量控制，所以交轴电压U_q是等功率变换下的电压量。

所述试验次数k是指本发明需要对磁链进行多次辨识以求得平均值。辨识次数越多，磁链辨识值越接近实际值，具体实验次数由实际需求决定，一般进行10次以上实验。

步骤二：通过上位机设置交轴电压U_q使永磁同步电机转速达到p₁倍额定转速ω₀，保持此转速使电机稳定运行，等待一段时间t₁，然后均匀采集n个转速采样值ω₁₁、ω₁₂…ω_1n，并求出转速平均值ω₁。记录此步骤中的实验数据，即p₁倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q1和转速ω₁。

步骤三：通过上位机设置交轴电压U_q使永磁同步电机转速达到p₂倍额定转速ω₀，保持此转速使电机稳定运行，等待一段时间t₂，然后均匀采集n个转速采样值ω₂₁、ω₂₂…ω_2n，并求出转速平均值ω₂。记录此步骤中的实验数据，即p₂倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q2和转速ω₂。

所述p₁倍额定转速ω₀和p₂倍额定转速ω₀中p₁和p₂为实验测试点电机转速系数。本发明中以额定转速ω₀为基准转速，在额定转速以下进行辨识，p₁和p₂取值范围[0，1]且p₁＜p₂。电机额定转速ω₀可以通过电机铭牌得知，故测试点的电机转速分别为p₁ω₀和p₂ω₀。

所述电机稳定运行等待时间t₁和t₂是指永磁同步电机转速达到测试点转速p₁ω₀和p₂ω₀后，停止增加交轴电压U_q到电机转速平稳之间的时间段。设置达到测试点转速后等待时间的目的是为了消除电机因转子惯性而在停止增加交轴电压U_q后转速依然小幅上升或振荡所带来的转速采样不准的问题。由辨识电机对象不同所以电机稳定运行等待时间t₁和t₂在辨识不同电机时会存在差异，可根据实际情况适当取值。

所述转速平均值ω₁和ω₂是指在两次测试点各自进行n次采样后得到n个数据ω₁₁、ω₁₂、…ω_1n和ω₂₁、ω₂₂、…ω_2n，然后分别进行求平均计算，得到在两次测试点各自的转速平均值。

计算公式如下：

步骤四：根据所记录的数据，即p₁倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q1和转速ω₁与p₂倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q2和转速ω₂，计算出第k次实验下永磁同步电机的磁链ψ_f(k)。

步骤五：令实验次数k＝k+1，重复步骤二、步骤三、步骤四，测得k组数据，每次实验计算出的永磁同步电机磁链记为ψ_f(1)、ψ_f(2)、…ψ_f(k)。最后，计算出永磁同步电机磁链平均值ψ_f。

所述第k次实验下永磁同步电机的磁链ψ_f(k)是各次实验根据磁链计算公式计算得到，其公式如下：

式中，U_q1、U_q2为测试点转速p₁ω₀和p₂ω₀下对应的交轴电压，P为被测电机极对数，ω₁和ω₂为测试点转速平均值，磁链ψ_f(k)为已经从等功率量转换为等模量的值。最终，永磁同步电机的磁链ψ_f通过对k次实验数据ψ_f(1)、ψ_f(2)、…ψ_f(k)求平均值得到，其公式如下：

通过上述三个步骤，完成永磁同步电机磁链辨识流程。

如图1所示，利用本发明对一电动汽车永磁同步电机进行磁链辨识，电机额定功率30kW，峰值功率60kW，额定电压为240V，额定电流为125A，额定转速3500r/min，峰值转速8500r/min。电机直流母线电压u_dc为320V，采用基于矢量控制的开环控制模式，指令交轴电压U_q经过Park逆变换以及SVPWM调制从d-q坐标系下的电压矢量控制信号转变成三相电压控制信号。另外，该过程需要使用永磁同步电机电角度θ_e，用于Park逆变换。电角度θ_e由永磁同步电机旋转变压器采集得到。三相逆变器是电能逆变单元，其依据三相电压控制信号将直流电压逆变成三相交流电压用于永磁同步电机控制。

如图2所示，以电动汽车永磁同步电机为实际应用进行磁链辨识，通过铭牌可知该电机额定转速ω₀为3500rpm，极对数P为4，分别设置测试点转速系数p₁＝0.18，p₂＝0.48，即测试点转速分别为630rpm和1680rpm。将电机驱动控制器设定为开环模式，设定实验次数k＝1，并逐渐增大交轴电压U_q使电机开始转动。当转速达到600rpm时停止增加交轴电压U_q，等待电机稳定运行一段时间t₁＝3s，均匀采集n＝10个转速点，并求得平均转速ω₁＝641.8rpm。记录630rpm测试点下交轴电压U_q1＝30V和转速ω₁＝640.9rpm。在转速点1800rpm测试时同理，设置电机稳定运行时间t₂＝3s，转速采样个数n＝10，最后记录得到U_q2＝70V和转速ω₂＝1710rpm，根据磁链计算公式可以算出ψ_f(1)＝0.07293Wb。重复实验次数k＝10，并求磁链平均值ψ_f＝0.073066Wb。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机的磁链辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)使永磁同步电机处于空载开环模式，通过上位机逐渐增大电机驱动控制器交轴电压U_q的输出使永磁同步电机开始转动；设试验次数k，并令k＝1；

(S2)求取p₁倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q1和转速平均值ω₁；

(S3)求取p₂倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q2和转速平均值ω₂；

(S4)根据步骤(S1)至步骤(S3)求得第k次实验下永磁同步电机的磁链ψ_f(k)；

(S5)令实验次数k＝k+1，重复步骤(S1)至步骤(S4)，每次实验计算出的永磁同步电机磁链记为ψ_f(1)、ψ_f(2)、…ψ_f(k)；

(S6)计算出永磁同步电机磁链平均值ψ_f。

2.根据权利要求1一种永磁同步电机的磁链辨识方法，其特征在于，步骤(S1)中是通过上位机设定指令值使电机驱动控制器控制永磁同步电机工作于空载开环控制模式；所述电机驱动控制器是永磁同步电机与电池之间的电能逆变单元，通过上位机对电机驱动控制器进行控制，进而控制永磁同步电机输出一定大小的机械转矩或维持转速运行。

3.根据权利要求2一种永磁同步电机的磁链辨识方法，其特征在于，试验次数k大于等于10。

4.根据权利要求3一种永磁同步电机的磁链辨识方法，其特征在于，步骤(S2)的具体过程为：通过上位机设置交轴电压U_q使永磁同步电机转速达到p₁倍额定转速ω₀，保持此转速使电机稳定运行，等待一段时间t₁，然后均匀采集n个转速采样值ω₁₁、ω₁₂…ω_1n，并求出转速平均值ω₁,n＞0；记录此步骤中的实验数据，p₁倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q1和转速ω₁。

5.根据权利要求4一种永磁同步电机的磁链辨识方法，其特征在于，步骤(S2)的具体过程为：通过上位机设置交轴电压U_q使永磁同步电机转速达到p₂倍额定转速ω₀，保持此转速使电机稳定运行，等待一段时间t₂，然后均匀采集n个转速采样值ω₂₁、ω₂₂…ω_2n，并求出转速平均值ω₂,n＞0；记录此步骤中的实验数据，即p₂倍额定转速ω₀下的交轴电压U_q2和转速ω₂。

6.根据权利要求5一种永磁同步电机的磁链辨识方法，其特征在于，所述p₁倍额定转速ω₀和p₂倍额定转速ω₀中p₁和p₂为实验测试点电机转速系数；额定转速ω₀为基准转速，在额定转速以下进行辨识，p₁和p₂取值范围[0，1]且p₁＜p₂；电机额定转速ω₀通过电机铭牌得知，测试点的永磁同步电机转速分别为p₁ω₀和p₂ω₀。

7.根据权利要求6一种永磁同步电机的磁链辨识方法，其特征在于，步骤(S2)和(S3)中转速平均值ω₁和ω₂分别指在两次测试点各自进行n次采样后得到n个数据ω₁₁、ω₁₂、…ω_1n和ω₂₁、ω₂₂、…ω_2n，然后分别进行求平均计算，得到在两次测试点各自的转速平均值；计算公式如下：

8.根据权利要求8一种永磁同步电机的磁链辨识方法，其特征在于，步骤(S4)中第k次实验下永磁同步电机的磁链ψ_f(k)是各次实验根据磁链计算公式计算得到，其公式如下：

式中，U_q1、U_q2为测试点转速p₁ω₀和p₂ω₀下对应的交轴电压，P为被测电机极对数，ω₁和ω₂为测试点转速平均值，磁链ψ_f(k)为已经从等功率量转换为等模量的值。

9.根据权利要求1-8任一项一种永磁同步电机的磁链辨识方法，其特征在于，步骤(S6)的公式如下：