CN110912482A - 一种永磁同步电机磁链及温度估计方法 - Google Patents

一种永磁同步电机磁链及温度估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机磁链及温度估计方法，包括：步骤一：永磁同步电机运行过程中，通过微控制器在一个控制周期内实现多次采样，获得电机磁链参数；步骤二：在id＝0的工况下，通过有限元电流‑电感Table表代替固定电机参数，获取随电流变化的电感参数，进而对步骤一电机磁链参数修正，获得更加准确的电机磁链估计结果；步骤三：在id≠0的工况下，考虑电感耦合项，进而对步骤一电机磁链参数修正，获得更加准确的电机磁链估计结果；步骤四：由步骤二或步骤三中得到的更加准确的电机磁链估算结果，估算永磁同步电机的转子温度。本方法简单、方便、易完成，且无需注入电流即可实现更小误差的电机磁链参数及温度的实时估计。

Description

一种永磁同步电机磁链及温度估计方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种永磁同步电机磁链及温度估计方法。
背景技术
稀土永磁材料由于具有较高的磁积能特性，可以显著减小电机的体积，提高功率密度，因此永磁同步电机被广泛的应用于风力发电、电动汽车、军工、航天等至关重要的领域。然而稀土永磁材料的性能受温度影响较高，超过永磁体温度的极限将会导致永磁体的不可逆退磁现象，这将会对永磁同步电机性能造成严重影响。因此实时估计转子永磁体的温度显得极为重要，然而永磁同步电机的转子是运动的，通过安装温度传感器或其他无线设备去监测永磁体温度的方法实现困难，同时会增加系统的成本和安装空间，因此研究用电流电压信号去估计永磁同步电机的转子温度是永磁同步电机控制的主要研究方向之一。
永磁同步电机磁链及温度估计方法主要有模型估计法，磁链观测器方法，测量方法。然而，模型估计法通常需要向控制系统中注入高频的电流扰动信号或者注入id≠0的电流信号，通过提取不同的电流及电压信号从而获取电机的磁链参数，然而额外的信号注入会引起电机系统的转矩波动和附加的功率损耗，同时在id≠0的工况下，系统的参数将发生变化，将会对温度估计的准确性造成影响。磁链观测器方法能够准确的预测永磁体的温度，然而这种方法难于用在实际的系统中，因为该方法需要准确的电机和逆变器模型，当运行工况变化时，模型不准确会造成永磁体温度的估计误差。测量方法是通过功率分析仪去测量系统中的电流及电压，从而预测永磁转子的温度，但是该方法需要高精度的设备进行测量，因此会增加系统的设备成本。因此，为了简单、便捷、可靠、准确的获取永磁同步电机的转子磁链及温度，研究一种永磁同步电机的磁链及温度估计方法极其重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种简单、准确、易完成的永磁同步电机转子磁链及温度估计方法，解决了在永磁同步电机转子在旋转过程中，传统的转子磁链及温度估计方法存在着温度估计不准确，受电机电感参数影响，实施困难等问题。
本发明的技术方案为：一种永磁同步电机磁链及温度估计方法，包括：
步骤一：永磁同步电机运行过程中，通过微控制器在一个控制周期内实现多次采样，获得电机磁链参数；
步骤二：在id＝0的工况下，通过有限元电流-电感Table表代替固定电机参数，获取随电流变化的电感参数，进而对步骤一电机磁链参数修正，获得更加准确的电机磁链估计结果；
步骤三：在id≠0的工况下，考虑电感耦合项，进而对步骤一电机磁链参数修正，获得更加准确的电机磁链估计结果；
步骤四：由步骤二或步骤三中得到的更加准确的电机磁链估算结果，进而估算永磁同步电机的转子温度。
优选地，所述步骤一中，获得电机磁链参数的具体方法为：
第一步：假定在一个开关周期中，采样周期远小于开关周期，即Ts＜＜Tswi tching，d轴电流控制为0，根据永磁同步电机q轴电压公式
Figure BDA0002313660030000031
其中，vq是q轴电压，iq、id是d轴与q轴采样电流，wr是电机角速度，Rs是电机相电阻，Ld、Lq分别表示电机dq轴电感，λm是电机磁链；
id，iq，wr是通过采样获得的，Rs、Ld、Lq是最初通过仪器对永磁同步电机测量得到的；
在一个开关周期内，可以得到
Figure BDA0002313660030000032
Figure BDA0002313660030000033
Figure BDA0002313660030000034
其中n＝1，2，…，t8＝t1+(n-1)Ts，id＝0；
Vq(t1-(t1+Ts))是t1-(t1+Ts)区间内的q轴电压，Vq((t1+Ts)-(t1+2Ts))是(t1+Ts)-(t1+2Ts)区间内的q轴电压，Vq((t1+(n-2)Ts)-t8)是(t1+(n-2)Ts)-t8区间内的q轴电压；
第二步：假定在开关周期内，电机转速wr保持恒定，因此将电流离散化可以得到表达式为：
Figure BDA0002313660030000035
第三步：将公式(2)(3)(4)离散化可以得到
Tsvq(t1-(t1+Ts))＝TsRsiq(t1-(t1+Ts))+Lq(iq(t1-(t1+Ts))-iq(t1))+Tswrλm (6)
Tsvq((t1+Ts)-(t1+2Ts))＝TsRsiq((t1+Ts)-(t1+2Ts))+Lq(iq((t1+2Ts)-iq(t1+Ts))+Tswrλm (7)
Tsvq((t1+(n-2)Ts)-t8)＝TsRsiq((t1+(n-2)Ts)-t8)+Lq(iq((t8)-iq(t1+(n-2)Ts))+Tswrλm (8)
第四步：将上式每项加在一起得到表达式为
Figure BDA0002313660030000041
其中Tswitching是Ts的数倍；
其中
Figure BDA0002313660030000042
可以表示为
Ts∑vq(j)＝(t3-t2)vq(t3-t2)+(t4-t3)vq(t4-t3)+(t6-t5)vq(t6-t5)+(t7-t6)vq(t7-t6)(10)
根据矢量调制的对称性原则可知
Figure BDA0002313660030000043
第四步：因此公式(9)可表示为
Figure BDA0002313660030000044
由此fsw＝1/Tswi tching可得
Figure BDA0002313660030000045
优选地，所述步骤二中，获得更加准确的电机磁链估计结果的具体方法为：
在id＝0的工况下，利用有限元法得到电机的电感参数Lq随电流变化的Table表，采用Table后，将其中Lq(j)代替原来的常数Lq，实现电感会随着电流变化，因此可将公式(13)表示为在电感变化下的磁链估计表达式为：
Figure BDA0002313660030000046
优选地，所述步骤三中，获得更加准确的电机磁链估计结果的具体方法为：
在id≠0的工况下，考虑电感耦合项，因此估计永磁同步电机转子磁链的具体过程为：
Figure BDA0002313660030000051
优选地，所述步骤四中，估计永磁同步电机转子温度的具体过程为：
在温度为Tref下，测量得到永磁同步电机的空载磁链为
λm(Tref)＝Vphase/wr (16)
通过步骤二或步骤三得到的电机磁链即是在温度T下得到的λm(T)，因此得到估计的温度为
Figure BDA0002313660030000052
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)通过多点采样的方式，在一个开关周期不同的开关矢量下，即可实现电机磁链及转子温度的实时估计；该方法通过累加的方式实现，显著的提高了估计的准确性，提高了该项技术的实用性；
(2)与传统的磁链与温度估计方法相比，本发明所提出的方法不受逆变器死区时间影响，可以获得更加准确的磁链参数和温度估计结果，提升了该方法的应用价值；
(3)永磁同步电机在不同的电流下，电机内饱和磁场会表现得不同，为了消除由于电感饱和参数对磁链及温度估计准确性的影响，将原来固定的电机电感参数替换为有限元下获得的Table表，由此提升估计的准确性；
(4)针对id≠0的情况下，考虑了电感耦合项wrLdid的影响，由此得到的估算结果依然准确有效，因此该方法也可适用于内置式永磁同步电机下使用。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
其中
Figure BDA0002313660030000061
为永磁同步电机的角度度给定值，wr为永磁同步电机的实际转速，
Figure BDA0002313660030000062
与
Figure BDA0002313660030000063
是d轴电流与q轴电流给定值，id与iq是d轴与q轴采样电流，
Figure BDA0002313660030000064
与
Figure BDA0002313660030000065
是d轴与q轴的参考给定电压，是由电流环PI调节器输出得到的，最后经过park与clack变换，输出得到理想的开关信号用于三相变频器驱动永磁同步电机。通过将变量
Figure BDA0002313660030000066
id、iq、wr即可用于转子磁链和温度的估计。
图2是本发明的单开关周期的电流及其脉冲信号图；
其中展现的是q轴电流信号，t1，t2，…t8表示8个不同的时刻；
图3是本发明的电机运行在4000r/min下，得到在不同温度下的估计磁链值图。
图4是本发明在变负载下得到的估计温度及磁链值图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步说明。
如图1至图4所示，一种永磁同步电机磁链及温度估计方法，包括：
步骤一：永磁同步电机运行过程中，通过微控制器在一个控制周期内实现多次采样，获得电机磁链参数；
此步骤中，获得电机磁链参数的具体方法为：
第一步：假定在一个开关周期中，采样周期远小于开关周期，即Ts＜＜Tswi tching，d轴电流控制为0，根据现有已知的永磁同步电机q轴电压公式
Figure BDA0002313660030000071
其中，vq是q轴电压，iq、id是d轴与q轴采样电流，wr是电机角速度，Rs是电机相电阻，Ld、Lq分别表示电机dq轴电感，λm是电机磁链；
id，iq，wr是通过采样获得的，Rs、Ld、Lq是最初通过仪器对永磁同步电机测量得到的；
在一个开关周期内，可以得到
Figure BDA0002313660030000072
Figure BDA0002313660030000073
Figure BDA0002313660030000074
其中n＝1，2，…，t8＝t1+(n-1)Ts，id＝0；
Vq(t1-(t1+Ts))是t1-(t1+Ts)区间内的q轴电压，Vq((t1+Ts)-(t1+2Ts))是(t1+Ts)-(t1+2Ts)区间内的q轴电压，Vq((t1+(n-2)Ts)-t8)是(t1+(n-2)Ts)-t8区间内的q轴电压；
第二步：假定在开关周期内，电机转速wr保持恒定，因此将电流离散化可以得到表达式为：
Figure BDA0002313660030000075
第三步：将公式(2)(3)(4)离散化可以得到
Tsvq(t1-(t1+Ts))＝TsRsiq(t1-(t1+Ts))+Lq(iq(t1-(t1+Ts))-iq(t1))+Tswrλm (6)
Tsvq((t1+Ts)-(t1+2Ts))＝TsRsiq((t1+Ts)-(t1+2Ts))+Lq(iq((t1+2Ts)-iq(t1+Ts))+Tswrλm (7)
Tsvq((t1+(n-2)Ts)-t8)＝TsRsiq((t1+(n-2)Ts)-t8)+Lq(iq((t8)-iq(t1+(n-2)Ts))+Tswrλm (8)
第四步：将上式每项加在一起得到表达式为
Figure BDA0002313660030000081
其中Tswitching是Ts的数倍；
其中
Figure BDA0002313660030000082
可以表示为
Ts∑vq(j)＝(t3-t2)vq(t3-t2)+(t4-t3)vq(t4-t3)+(t6-t5)vq(t6-t5)+(t7-t6)vq(t7-t6)(10)
根据矢量调制的对称性原则可知
Figure BDA0002313660030000083
第四步：因此公式(9)可表示为
Figure BDA0002313660030000084
由此fsw＝1/Tswi tching可得
Figure BDA0002313660030000085
步骤二：在id＝0的工况下，通过有限元电流-电感Table表代替固定电机参数，获取随电流变化的电感参数，进而对步骤一电机磁链参数修正，获得更加准确的电机磁链估计结果；
此步骤中，获得更加准确的电机磁链估计结果的具体方法为：
在id＝0的工况下，利用有限元法得到电机的电感参数Lq随电流变化的Table表，采用Table后，将其中Lq(j)代替原来的常数Lq，实现电感会随着电流变化，因此可将公式(13)表示为在电感变化下的磁链估计表达式为：
Figure BDA0002313660030000086
Figure BDA0002313660030000091
步骤三：在id≠0的工况下，考虑电感耦合项，进而对步骤一电机磁链参数修正，获得更加准确的电机磁链估计结果；
此步骤三中，获得更加准确的电机磁链估计结果的具体方法为：
在id≠0的工况下，考虑电感耦合项，因此估计永磁同步电机转子磁链的具体过程为：
Figure BDA0002313660030000092
步骤四：由步骤二或步骤三中得到的更加准确的电机磁链估算结果，进而估算永磁同步电机的转子温度。
此步骤中，估计永磁同步电机转子温度的具体过程为：
在温度为Tref下，测量得到永磁同步电机的空载磁链为
λm(Tref)＝Vphase/wr (16)
通过步骤二或步骤三得到的电机磁链即是在温度T下得到的λm(T)，因此得到估计的温度为
Figure BDA0002313660030000093
如图1所示，永磁同步电机转子磁链与温度估计方法分为三个部分：电机部分、三相变频驱动部分、芯片处理器控制部分。在本发明中，永磁同步电机作为控制对象。三相变频器通过电流采样与光电编码器采样得到的电流信号和角度信号作为输出到芯片处理器作为控制量。在芯片处理器控制部分，速度环与电流环均采用PI调节器，用以调节输出电流的大小，实现对永磁同步电机的控制。最终将采样采样得到的电流、电压、转速信号给控制器，实现对转子磁链及温度的估计。
本发明通过多点采样的方式估算得到永磁同步电机转子磁链及温度估计方法，实现简单，操作方便，并且该方法考虑了id＝0下电机电感参数饱和、、id≠0下电感耦合的影响，受逆变器非线性死区影响小，具有估算结果快速准确的特点。
上述的实施例仅为本发明的优选实施例，不能以此来限定本发明的权利范围，因此，依本发明申请专利范围所作的修改、等同变化、改进等，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机磁链及温度估计方法，其特征在于，包括：
步骤一：永磁同步电机运行过程中，通过微控制器在一个控制周期内实现多次采样，获得电机磁链参数；
步骤二：在id＝0的工况下，通过有限元电流-电感Table表代替固定电机参数，获取随电流变化的电感参数，进而对步骤一电机磁链参数修正，获得更加准确的电机磁链估计结果；
步骤三：在id≠0的工况下，考虑电感耦合项，进而对步骤一电机磁链参数修正，获得更加准确的电机磁链估计结果；
步骤四：由步骤二或步骤三中得到的更加准确的电机磁链估算结果，进而估算永磁同步电机的转子温度。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机磁链及温度估计方法，其特征在于，所述步骤一中，获得电机磁链参数的具体方法为：
第一步：假定在一个开关周期中，采样周期远小于开关周期，即Ts＜＜Tswitching，d轴电流控制为0，根据永磁同步电机q轴电压公式
Figure FDA0002313660020000011
其中，vq是q轴电压，iq、id是d轴与q轴采样电流，wr是电机角速度，Rs是电机相电阻，Ld、Lq分别表示电机dq轴电感，λm是电机磁链；
id，iq，wr是通过采样获得的，Rs、Ld、Lq是最初通过仪器对永磁同步电机测量得到的；
在一个开关周期内，可以得到
Figure FDA0002313660020000012
Figure FDA0002313660020000021
Figure FDA0002313660020000022
其中n＝1，2，…，t8＝t1+(n-1)Ts，id＝0；
Vq(t1-(t1+Ts))是t1-(t1+Ts)区间内的q轴电压，Vq((t1+Ts)-(t1+2Ts))是(t1+Ts)-(t1+2Ts)区间内的q轴电压，Vq((t1+(n-2)Ts)-t8)是(t1+(n-2)Ts)-t8区间内的q轴电压；
第二步：假定在开关周期内，电机转速wr保持恒定，因此将电流离散化可以得到表达式为：
Figure FDA0002313660020000023
第三步：将公式(2)(3)(4)离散化可以得到
Tsvq(t1-(t1+Ts))＝TsRsiq(t1-(t1+Ts))+Lq(iq(t1-(t1+Ts))-iq(t1))+Tswrλm (6)
Tsvq((t1+Ts)-(t1+2Ts))＝TsRsiq((t1+Ts)-(t1+2Ts))+Lq(iq((t1+2Ts)-iq(t1+Ts))+Tswrλm (7)
Tsvq((t1+(n-2)Ts)-t8)＝TsRsiq((t1+(n-2)Ts)-t8)+Lq(iq((t8)-iq(t1+(n-2)Ts))+Tswrλm (8)
第四步：将上式每项加在一起得到表达式为
Figure FDA0002313660020000024
其中Tswitching是Ts的数倍；
其中
Figure FDA0002313660020000025
可以表示为
Ts∑vq(j)＝(t3-t2)vq(t3-t2)+(t4-t3)vq(t4-t3)+(t6-t5)vq(t6-t5)+(t7-t6)vq(t7-t6)(10)
根据矢量调制的对称性原则可知
Figure FDA0002313660020000031
第四步：因此公式(9)可表示为
Figure FDA0002313660020000032
由此fsw＝1/Tswitching可得
Figure FDA0002313660020000033
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机磁链及温度估计方法，其特征在于，所述步骤二中，获得更加准确的电机磁链估计结果的具体方法为：
在id＝0的工况下，利用有限元法得到电机的电感参数Lq随电流变化的Table表，采用Table后，将其中Lq(j)代替原来的常数Lq，实现电感会随着电流变化，因此可将公式(13)表示为在电感变化下的磁链估计表达式为：
Figure FDA0002313660020000034
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机磁链及温度估计方法，其特征在于，所述步骤三中，获得更加准确的电机磁链估计结果的具体方法为：
在id≠0的工况下，考虑电感耦合项，因此估计永磁同步电机转子磁链的具体过程为：
Figure FDA0002313660020000035
5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机磁链及温度估计方法，其特征在于，所述步骤四中，估计永磁同步电机转子温度的具体过程为：
在温度为Tref下，测量得到永磁同步电机的空载磁链为
λm(Tref)＝Vphase/wr(16)
通过步骤二或步骤三得到的电机磁链即是在温度T下得到的λm(T)，因此得到估计的温度为
Figure FDA0002313660020000041
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