CN111538254A - 一种获取永磁同步电机性能map表的仿真电路 - Google Patents

一种获取永磁同步电机性能map表的仿真电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及永磁同步电机领域，其公开了一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，通过仿真获取电机性能MAP表数据，为实物台架标定工作提供数据支撑和指导，从而提高标定的工作效率，加快产品开发进度。该仿真电路，包括：最大转矩电流比控制算法模块、2R/3S电流坐标变换模块、电机本体模块、弱磁算法模块和相电流矢量Is给定模块；本发明的仿真电路可以按照一定步长给定转速和给定相电流矢量值，然后扫描最优分配夹角，以此实现最大转矩电流比控制算法，并结合弱磁算法模块，获取电机在全速范围内的最优转速‑扭矩‑电流对应关系MAP表，利用此对应关系MAP表作为进行实物台架标定时的数据支撑和参考。

Description

一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路
技术领域
本发明涉及永磁同步电机领域，具体涉及一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，用于永磁同步电机的扭矩-电流-转速最优解MAP表(映射关系表)的获取。
背景技术
随着汽车技术日新月异的发展，以及全球倡导的节能减排方针的推行，新能源汽车是未来发展的必然方向。新能源汽车的关键部件就是驱动电机和电机控制器，现在使用的大部分驱动电机都是永磁同步电机。对于永磁同步电机和控制器的开发而言，从方案到产品的过程中，会涉及到较多的电机标定工作，其中最重要的就是与控制器直接相关的参数标定工作，这部分参数最主要就是扭矩、转速、电流的对应关系最优解MAP表。在MAP表标定完成后，再嵌入电机控制器中，实现控制器和电机的产品化。因此，此MAP表对于电机控制尤为重要。
目前行业中，对上述最优解MAP表的获取方式，大都在试验台架上，采用电机与控制器实物标定的方式进行。这种实物标定方式，由于没有任何方法作为指导，也没有数据作为支撑，完全是在摸索状态操作完成，并且存在诸多的不确定性，会严重影响产品的开发周期和进度，因此，亟需找到一种方案来提高电机台架标定的工作效率，加快产品的开发进度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，通过仿真获取电机性能MAP表数据，为实物台架标定工作提供数据支撑和指导，从而提高标定的工作效率，加快产品开发进度。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，包括：最大转矩电流比控制算法模块、2R/3S电流坐标变换模块、电机本体模块、弱磁算法模块和相电流矢量Is给定模块；
所述电机本体模块为搭建的作为控制对象的参数化的电机ECE模型，；
所述相电流矢量Is给定模块，用于按照一定步长给定相电流矢量Is，在最大转矩电流比控制算法模块扫描出最优扭矩输出值时，将相电流矢量Is给定值切换至0；
所述最大转矩电流比控制算法模块，用于通过定步长扫描给定相电流矢量Is与交轴之间的夹角，不断分配出直轴电流和交轴电流，确定在一定转速和相电流矢量Is给定值情况下，电机输出扭矩最大值对应的直轴电流和交轴电流作为此转速和相电流矢量值下的最优交直轴电流分配解，以此获得扭矩-电流-转速的映射关系；
所述2R/3S电流坐标变换模块，用于将最大转矩电流比控制算法模块分配的交直轴电流转换为电机的三相输入电流，驱动永磁同步电机本体运行；
所述弱磁算法模块，用于在电机弱磁阶段，结合最大转矩电流比控制算法模块获取的最优交直轴电流分配解，实现电机的最优弱磁控制。
作为进一步优化，所述电机本体模块包括：定子电阻电感模块、ECE模块、转速输入和扭矩输出模块；
所述定子电阻电感模块用于描述电机实际的定子电阻和电感值；
所述ECE模块是基于仿真软件，通过对电机三维或者二维模型进行参数化扫描，然后抽取出来的一个用于描述电机本体的ECE模型；
所述转速输入和扭矩输出模块用于给定电机转速和采样扭矩输出值。
作为进一步优化，所述2R/3S电流坐标变换模块包括2R/3S坐标变换模块和电机转子位置角模块；
所述2R/3S坐标变换模块用于将交轴电流、直轴电流从两相旋转坐标系逆变换到三相静止坐标系；
所述电机转子位置角模块用于检测永磁同步电机转子位置。
作为进一步优化，所述最大转矩电流比控制算法(MTPA)模块包括相电流矢量Is符号判断模块、最优分配夹角扫描模块、直轴电流(Id)分配模块、交轴电流(Iq)分配模块；
所述相电流矢量Is符号判断模块用于判断给定的相电流矢量Is的正负号，由此判断电机的工作模式；
所述最优分配夹角扫描模块用于定步长扫描给定相电流矢量Is与交轴之间的夹角，获得最优分配夹角；
所述直轴电流(Id)分配模块用于根据给定的相电流矢量Is与所述最优分配夹角的正弦值的乘积来分配直轴电流；
所述交轴电流(Iq)分配模块用于根据给定的相电流矢量Is与所述最优分配夹角的余弦值的乘积来分配交轴电流。
作为进一步优化，所述相电流矢量Is给定模块包括相电流矢量Is实际给定值模块、相电流矢量Is给定值赋值模块、相电流矢量Is给定值切换模块；
所述相电流矢量Is实际给定值模块用于在仿真时给定实际的相电流矢量Is值；
所述相电流矢量Is给定值赋值模块用于在给定的相电流矢量Is的值为0时，将相电流矢量Is赋值为0，使输出扭矩等于0N.M；
所述相电流矢量Is给定值切换模块用于当在某一相电流矢量Is给定值时，若扫描出最优扭矩输出值，则将相电流矢量Is的给定值切换到0，使扭矩输出值等于0N.M。
作为进一步优化，所述弱磁算法模块包括电压矢量Vs计算模块、VsMax设置模块；
所述电压矢量Vs计算模块用于通过计算公式，由交、直轴的电压值合成计算得到电压空间矢量值Vs；
所述VsMax设置模块用于设置电压矢量的最大值VsMax＝Vdc/sqrt(3)，其中，Vdc为直流母线电压。
本发明的有益效果是：
基于上述设计的仿真电路，可以按照一定步长给定转速和给定相电流矢量值，然后扫描最优分配夹角，以此实现最大转矩电流比控制算法(MTPA)，并结合弱磁算法模块，获取电机在全速范围内的最优转速-扭矩-电流对应关系MAP表，利用此对应关系MAP表作为进行实物台架标定时的数据支撑和参考，使得标定工作不再处于一种摸索状态，从而大大的缩短标定周期，提高产品开发进度。
此外，在上述仿真电路中，采用参数化的电机ECE模型作为控制对象，由于电机本体的ECE模型是密集型参数化扫描抽取而成的，能够很真实地参数化反映电机本体性能，且已抽取成为数据化表格，只需对电机本体进行查表操作即可，这样既可以很好的反映电机本体的性能，而且仿真速度也大大提升，有利于快速获得MAP表。
附图说明
图1为本发明中的仿真电路结构框图。
具体实施方式
本发明旨在提出一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，通过仿真获取电机性能MAP表数据(主要为扭矩-电流-转速关系的最优解)，为实物台架标定工作提供数据支撑和指导，从而提高标定的工作效率，加快产品开发进度。
如图1所示，本发明中的仿真电路包括：最大转矩电流比控制算法模块、2R/3S电流坐标变换模块、电机本体模块、弱磁算法模块和相电流矢量Is给定模块；
具体实现上，所述最大转矩电流比控制算法模块内含有最优分配夹角扫描模块1、交轴电流分配模块2、直轴电流分配模块3、相电流矢量Is符号判断模块4；
所述2R/3S电流坐标变换模块内含有2R/3S坐标变换模块5、电机转子位置角模块6；
所述电机本体模块含有定子电阻电感模块7、ECE模块8、转速输入和扭矩输出模块9；
所述弱磁算法模块含有电压矢量Vs计算模块10、VsMax设置模块11；
所述相电流矢量Is给定模块含有相电流矢量Is给定值赋值模块12、相电流矢量Is实际给定值模块13、相电流矢量Is给定值切换模块14。
各个模块具体功能说明如下：
所述最优分配夹角扫描模块1用于定步长扫描给定相电流矢量Is与交轴之间的夹角，获得最优分配夹角；
所述交轴电流(Iq)分配模块2用于根据给定的相电流矢量Is与所述最优分配夹角的余弦值的乘积来分配交轴电流；
所述直轴电流(Id)分配模块3用于根据给定的相电流矢量Is与所述最优分配夹角的正弦值的乘积来分配直轴电流；
所述相电流矢量Is符号判断模块4就是判断给定的相电流矢量Is的正负号，由此判断电机的工作模式；由此判断电机的处于电动模式还是发电模式；
所述2R/3S坐标变换模块5用于将交轴电流、直轴电流从两相旋转坐标系逆变换到三相静止坐标系；
所述电机转子位置角模块6用于检测永磁同步电机转子位置；
所述定子电阻电感模块7用于描述电机实际的定子电阻和电感值；
所述ECE模块8是基于仿真软件，通过对电机三维或者二维模型进行参数化扫描，然后抽取出来的一个用于描述电机本体的ECE模型；
所述转速输入和扭矩输出模块9用于给定电机转速和采样扭矩输出值；
所述电压矢量Vs计算模块10用于通过计算公式，由交、直轴的电压值合成计算得到电压空间矢量值Vs；
所述VsMax设置模块11用于设置电压矢量的最大值VsMax＝Vdc/sqrt(3)，其中，Vdc为直流母线电压；
所述相电流矢量Is给定值赋值模块12用于在给定的相电流矢量Is的值为0时，将相电流矢量Is赋值为0，使输出扭矩等于0N.M；
所述相电流矢量Is实际给定值模块13用于在仿真时给定实际的相电流矢量Is值；
所述相电流矢量Is给定值切换模块14用于当在某一相电流矢量Is给定值时，若扫描出最优扭矩输出值，则将相电流矢量Is的给定值切换到0，使扭矩输出值等于0N.M。
在上述仿真电路设计时，首先基于仿真软件，密集型参数化扫描抽取永磁同步电机本体ECE模型模块8，以及搭建好定子电阻电感模块7和转速输入和扭矩输出模块9，所述的定子电阻电感模块7就是参数化呈现电机的定子电阻和电感参数，所述的转速输入和扭矩输出模块9就是设置电机的输入转速及电机输出扭矩值的采样，以此搭建参数化的永磁同步电机本体，作为控制对象。接下来，搭建最优分配夹角扫描模块1、直轴电流(Id)分配模块3、交轴电流(Iq)分配模块2和相电流矢量Is符号判断模块4，由此实现最大转矩电流比控制算法(MTPA)。所述相电流矢量Is符号判断模块4就是确定相电流矢量输入的正负号，由此确定交轴电流(Iq)的正负号，并判断电机是电动还是发电状态。所述最优分配夹角扫描模块1就是定步长扫描给定相电流矢量Is与交轴(q轴)之间的夹角，通过所述的直轴电流(Id)分配模块3和交轴电流(Iq)分配模块2，不断分配出直轴电流(Id)和交轴电流(Iq)。分配出来的交直轴电流作为所述2R/3S电流坐标变换模块的输入，通过2R/3S坐标变换模块5变换出电机的ABC三相输入电流，作为电机的三相输入，驱动电机运行。在一定转速和相电流矢量Is给定值的情况下，输出扭矩最大值对应的直轴电流(Id)和交轴电流(Iq)，就是此转速和相电流矢量值下，给定电流的最优分配解，也就实现了最大转矩电流比控制算法(MTPA)控制。软件在实现参数化扫描时，转速、相电流矢量的给定值均是通过一定步长自动扫描完成的，参数扫描工作都由软件自身完成。
随着电机转速的升高，达到电机基速点以后，控制算法就需进入弱磁控制，解决反电动势超过母线电压的问题，并结合最大转矩电流比控制算法(MTPA)获取的最优交直轴电流解，实现电机全域范围内的最优控制。所述弱磁算法模块含有电压矢量Vs计算模块10、VsMax设置模块11，所述电压矢量Vs计算模块10，通过公式计算直轴(Vd)和交轴(Vq)电压分量值，再由直轴(Vd)和交轴(Vq)电压分量合成电压矢量Vs。所述VsMax设置模块11是电压空间矢量的最大值，其值等于母线电压Vdc/sqrt(3)。当电压矢量Vs大于等于VsMax时，说明电机工作点超出了电压极限圆，这在电机运行时是不允许的，当电压矢量Vs等于VsMax时，说明在给定的转速和相电流矢量Is时，扫描出了此种给定参数状态下的最大扭矩值，相应分配出来的交直轴电流也是最优解，这样既得到了最优的扭矩-电流关系，也满足了电机在电压极限圆内工作，也就实现了电机的最优弱磁控制。所述的所述相电流矢量Is给定模块含有相电流矢量Is给定值赋值模块12、相电流矢量Is实际给定值模块13、相电流矢量Is给定值切换模块14。所述的相电流矢量Is实际给定值模块13就是正常参数扫描时的给定值，在电机弱磁阶段，当电压矢量Vs＝VsMax时，说明电机运行处于极限状态，这时所输出的力矩就是此种转速和电流输入条件下，电机输出扭矩最大的时刻，因为软件在数据整理和挑选时，会选取最大值点，所以此时需要将Is由给定值通过相电流矢量Is给定值切换模块14将其切换到Is＝0的状态，这样就可以保证软件能够挑选出扭矩最大值点对应的交直轴电流关系。
通过上述设计的仿真电路，即可基于仿真软件实现新能源永磁同步电机的参数化扫描仿真，便可获取到电机扭矩-转速-电流最优解MAP表，为电机和控制器实物台架标定提供数据支撑和参考，加快标定速度，缩短产品开发周期。

Claims (6)

1.一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，其特征在于，
包括：最大转矩电流比控制算法模块、2R/3S电流坐标变换模块、电机本体模块、弱磁算法模块和相电流矢量Is给定模块；
所述电机本体模块为搭建的作为控制对象的参数化的电机ECE模型，；
所述相电流矢量Is给定模块，用于按照一定步长给定相电流矢量Is，在最大转矩电流比控制算法模块扫描出最优扭矩输出值时，将相电流矢量Is给定值切换至0；
所述最大转矩电流比控制算法模块，用于通过定步长扫描给定相电流矢量Is与交轴之间的夹角，不断分配出直轴电流和交轴电流，确定在一定转速和相电流矢量Is给定值情况下，电机输出扭矩最大值对应的直轴电流和交轴电流作为此转速和相电流矢量值下的最优交直轴电流分配解，以此获得扭矩-电流-转速的映射关系；
所述2R/3S电流坐标变换模块，用于将最大转矩电流比控制算法模块分配的交直轴电流转换为电机的三相输入电流，驱动永磁同步电机本体运行；
所述弱磁算法模块，用于在电机弱磁阶段，结合最大转矩电流比控制算法模块获取的最优交直轴电流分配解，实现电机的最优弱磁控制。
2.如权利要求1所述的一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，其特征在于，
所述电机本体模块包括：定子电阻电感模块、ECE模块、转速输入和扭矩输出模块；
所述定子电阻电感模块用于描述电机实际的定子电阻和电感值；
所述ECE模块是基于仿真软件，通过对电机三维或者二维模型进行参数化扫描，然后抽取出来的一个用于描述电机本体的ECE模型；
所述转速输入和扭矩输出模块用于给定电机转速和采样扭矩输出值。
3.如权利要求1所述的一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，其特征在于，所述2R/3S电流坐标变换模块包括2R/3S坐标变换模块和电机转子位置角模块；
所述2R/3S坐标变换模块用于将交轴电流、直轴电流从两相旋转坐标系逆变换到三相静止坐标系；
所述电机转子位置角模块用于检测永磁同步电机转子位置。
4.如权利要求1所述的一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，其特征在于，
所述最大转矩电流比控制算法模块包括相电流矢量Is符号判断模块、最优分配夹角扫描模块、直轴电流分配模块、交轴电流分配模块；
所述相电流矢量Is符号判断模块用于判断给定的相电流矢量Is的正负号，由此判断电机的工作模式；
所述最优分配夹角扫描模块用于定步长扫描给定相电流矢量Is与交轴之间的夹角，获得最优分配夹角；
所述直轴电流分配模块用于根据给定的相电流矢量Is与所述最优分配夹角的正弦值的乘积来分配直轴电流；
所述交轴电流分配模块用于根据给定的相电流矢量Is与所述最优分配夹角的余弦值的乘积来分配交轴电流。
5.如权利要求1所述的一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，其特征在于，
所述相电流矢量Is给定模块包括相电流矢量Is实际给定值模块、相电流矢量Is给定值赋值模块、相电流矢量Is给定值切换模块；
所述相电流矢量Is实际给定值模块用于在仿真时给定实际的相电流矢量Is值；
所述相电流矢量Is给定值赋值模块用于在给定的相电流矢量Is的值为0时，将相电流矢量Is赋值为0，使输出扭矩等于0N.M；
所述相电流矢量Is给定值切换模块用于当在某一相电流矢量Is给定值时，若扫描出最优扭矩输出值，则将相电流矢量Is的给定值切换到0，使扭矩输出值等于0N.M。
6.如权利要求1-5任意一项所述的一种获取永磁同步电机性能MAP表的仿真电路，
其特征在于，所述弱磁算法模块包括电压矢量Vs计算模块、VsMax设置模块；
所述电压矢量Vs计算模块用于通过计算公式，由交、直轴的电压值合成计算得到电压空间矢量值Vs；
所述VsMax设置模块用于设置电压矢量的最大值VsMax＝Vdc/sqrt(3)，其中，Vdc为直流母线电压。
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