CN112671281B - 一种电动助力车用凸极电机自动标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电动助力车用凸极电机自动标定方法，通过控制IPMSM的三相电压，进而实现对电机的三相电流进行控制；通过对电动助力车用凸极电机的电流‑扭矩进行自动标定，搜索最优运行点并进行二维建表，通过上位机和下位机互相配合的方式完成整个自动标定流程。在MTPA区时，通过固定电流下的定角度步长搜点搜索扭矩MTPA点；在FW区时，设计电压闭环策略，由电机控制器自动调节电流角度（不改变电流矢量大小）直至在设定的端电压圆边界上稳定运行；相较于传统的标定策略，本发明大大简化人工操作时间，同时提升了标定精度和标定效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动助力车用凸极电机自动标定方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
随着绿色环保理念的深入人心，电动助力车在市场占据的份额与日俱增；作为电动助力车的核心部件之一，驱动电机性能的好坏决定了整车的动力、驾驶舒适性、续航等等方面是否满足使用需求；目前市场上应用的驱动电机大多为SPMSM（表贴式永磁同步电机）或BLDC（直流无刷电机）；（IPMSM）内嵌式永磁同步电机由于其功率密度和效率均优于SPMSM，未来有望在电动助力车领域逐步得到推广。作为IPMSM的核心技术之一，MTPA控制和弱磁控制可以有效提升电机的效率转速区间;由于响应的快速性，传统的电动助力车扭矩输出基本采用电压开环控制（或者称为单电流环控制）的方法，但是采用凸极电机的电动助力车由于存在MTPA和弱磁控制两种控制方式，单电流环由于无法实现电流的精确控制，因此，这种控制方式已无法让电机始终维持在最优效率点运行；因此，对电机进行扭矩和电流的标定处理就势在必行，且电动助力车控制器一般需要匹配的电机型号较多，若标定效率低，则以上任务会耗费大量的人力物力；那么，如何实现高效自动标定，成为了当前亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种电动助力车用凸极电机自动标定方法，通过控制IPMSM的三相电压，进而实现对电机的三相电流进行控制；通过对电动助力车用凸极电机的电流-扭矩进行自动标定，搜索最优运行点并进行二维建表，通过上位机和下位机互相配合的方式完成整个自动标定流程。在MTPA区时，通过固定电流下的定角度步长搜点搜索扭矩MTPA点；在FW区时，设计电压闭环策略，由电机控制器自动调节电流角度（不改变电流矢量大小）直至在设定的端电压圆边界上稳定运行；相较于传统的标定策略，本发明大大简化人工操作时间，同时提升了标定精度和标定效率。
技术方案：一种电动助力车用凸极电机自动标定方法，包括如下步骤：
（1）向电机注入高频电流，进行零位辨识；（2）dq轴电流进行矢量闭环控制；（3）在电机的MTPA运行区，以电流定步长和角度定步长增加电流Is_ref（Is_ref为给定电流矢量的幅值）和theta_ref(theta_ref为给定电流矢量的角度)来进行扭矩搜点，寻找最优角度(最优角度为Is_ref一定时，最大扭矩所对应的theta_ref，即MTPA运行点)并进行记录；（4）在电机的弱磁运行区，获取母线电压，根据设定的电压调制率MI，计算参考电压U_ref，调节电压闭环使电流始终运行在电压极限圆内。
所述步骤（1）中向电机注入高频电流包括如下步骤：
向d轴电压Ud注入高频电压(注入高频电压信号一般为开关频率的整数分之一，例如，开关频率为16KHZ,一般选取高频注入信号的频率为1KHZ、2KHZ、4KHZ等)信号，此高频电压信号会体现在dq轴（人为构建的虚拟坐标轴，其中：d轴方向和电机转子的N极方向一致，q轴方向超前于d轴90度）电流上，在dq轴上可以提取出高频响应电流i_hf，由于凸极电机的dq轴电感差异较大，在高频电压扫完一个电角度周期后，i_hf中即存在包含位置信号的基波电流；q轴电流相对于d轴电流，整体波动较小，将q轴电流iq经过带通滤波器获得高频响应电流，再将i_hf经过低通滤波器，获得包含位置信号的基波电流i_fun；
将估计的角度（电机转子角度）信号theta_HF代入FOC闭环，则获得的基波电流(此处基波电流即为i_fun)中不再包含角度信号，而是实际角度和估计角度之间的误差theta_error，对theta_error进行PI控制，得到估计速度wr_HF，对wr_HF进行积分，得到最终的估计角度theta_HF；
由于是初始位置辨识，给定的ud、uq(ud、uq均为电机运行过程中电流环计算出的状态电压值，其中，ud表示d轴状态电压，uq表示q轴状态电压)均需设置为0，将获得的辨识位置信号theta_HF和编码器获取的位置信号theta_spi一起送入第一减法器，得到的误差theta_offset即为编码器安装误差，将theta_offset作为固定补偿和读取的theta_spi一起送入第一加法器，得到theta_rotor作为FOC控制下的位置信号；即可以避免因为编码器安装偏差导致的标定数据偏差。
所述步骤（2）中对dq轴电流进行矢量闭环控制步骤如下：给定dq轴电流的指令，将采样获得的三相电流进行clark->park变换获得dq轴实际电流id_real和iq_real，id_real和iq_real分别表示d轴实际电流和q轴实际电流，将iq_ref(iq_ref表示q轴指令电流)和iq_real一起送入第一减法器，经过PI调节器，输出uq；将id_ref(id_ref表示d轴指令电流)和id_real一起送入第二减法器，经过PI调节器，输出ud；对ud和uq进行限幅处理，此处ud按照电压极限圆进行限幅，uq按照sqrt(us_limit^2-ud^2)(us_limit表示当前控制器所能输出的最大相电压幅值)进行限幅，这样即可以保证在电流矢量触发饱和点后，调节id_real电流值，仍可以退出饱和，电流矢量继续向深度弱磁区域变化并稳定运行；对ud、uq进行clark反变换得到ualfa、ubeta，基于ualfa、ubeta计算当前电压矢量所处扇区，并计算相应的三相占空比，实现电机在矢量控制下稳定运行。
所述步骤（3）中，电机的MTPA运行区，电流-扭矩搜点方法为：
首先，固定电流搜索步长△Is和角度搜索步长△theta，按照电流搜索步长逐步加大电流指令，维持电流指令恒定不变，按照角度搜索步长逐步加大电流矢量角度theta（一般为90-180度），等待2s钟左右，待扭矩稳定后，判断当前扭矩相交上次扭矩变化趋势，若扭矩变大，则继续搜索；若扭矩变小，停止搜索，保存上一次电流-角度-转速-扭矩等数据，本次电流指令下的搜点步骤完成；加大电流指令，重复上述步骤，直至电流指令达到设定的峰值电流，则完成所有MTPA区的电流矢量搜点工作。
所述步骤（4）中，在FW运行区，电流-扭矩搜点方法为：
固定上位机发送的is_ref_send(is_ref_send和Is_ref表示同一含义，由于此处需要特指是上位机下发的指令，所以用is_ref_send表示)和角度均不变，由下位机芯片通过构建电压闭环策略完成弱磁电流点的搜索；在is_ref_send和电流矢量角度不变的情况下，上位机向下位机芯片发送固定的id_ref_send和iq_ref_send (id_ref_send即为id_ref，iq_ref_send即为iq_ref;此处均特指上位机下发的指令)指令，下位机接受到电流指令命令后；进入矢量闭环控制，同时，电压闭环调节器开始工作，将Us_ref和Us(Us_ref表示设定相电压幅值，Us表示实际运行的相电压幅值)一起送入第二减法器，经过PI调节器之后，输出△id_ref，为了确保在标定过程中电流矢量维持不变，仅调整电流角度变化，将id_ref_send和△id_ref一起送入第二加法器，计算最终的id_ref=id_ref_send+△id_ref；进而获得iq_ref=sqrt(is_ref_send^2-id_ref^2)；新的电流指令即为当前转速下，固定is_ref_send，最优的(当电压调节器最终稳定输出△id_ref时，当前的弱磁电流矢量点(id_ref,iq_ref)即为最优电流矢量)弱磁电流矢量，计算电流矢量角theta=arctan(iq_ref/id_ref)，记录下当前电流-角度-转速-扭矩等数据，本次电流指令下的搜点步骤完成；加大电流指令，重复上述步骤，直至电流指令达到设定的峰值电流；
以上步骤均完成后，则一个转速点下的FW扭矩搜点任务结束；开始下个转速点下的扭矩搜索任务，直至搜索到峰值转速，则所有FW扭矩搜点任务均结束；
对以上搜索到的电流点(指的是在所有转速点下，相应扭矩点对应的电流矢量点，即通过Is_ref和theta_ref表示的电流矢量点)在上位机后台程序中进行数据处理，生成扭矩查表的二维表格，导出数据并转化为stm32工程可以添加的.c、.h文件，方便后续添加移植。
附图说明
图1是传统整体控制框图；
图2是本发明整体控制框图；
图3是Us计算框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种电动助力车用凸极电机自动标定方法，包括如下步骤：（1）向电机注入高频电流，进行零位辨识；
向d轴电压Ud注入高频电压(注入高频电压信号一般为开关频率的整数分之一，例如，开关频率为16KHZ,一般选取高频注入信号的频率为1KHZ、2KHZ、4KHZ等)信号，此高频电压信号会体现在dq轴（人为构建的虚拟坐标轴，其中：d轴方向和电机转子的N极方向一致，q轴方向超前于d轴90度）电流上，在dq轴上可以提取出高频响应电流i_hf，由于凸极电机的dq轴电感差异较大，在高频电压扫完一个电角度周期后，i_hf中即存在包含位置信号的基波电流；q轴电流相对于d轴电流，整体波动较小，将q轴电流iq经过带通滤波器获得高频响应电流，再将i_hf经过低通滤波器，获得包含位置信号的基波电流i_fun；
将估计的角度（电机转子角度）信号theta_HF代入FOC闭环，则获得的基波电流(i_fun)中不再包含角度信号，而是实际角度和估计角度之间的误差theta_error，对theta_error进行PI控制，得到估计速度wr_HF，对wr_HF进行积分，得到最终的估计角度theta_HF；
由于是初始位置辨识，给定的ud、uq(ud、uq均为电机运行过程中电流环计算出的状态电压值，其中，ud表示d轴状态电压，uq表示q轴状态电压)均需设置为0，将获得的辨识位置信号theta_HF和编码器获取的位置信号theta_spi一起送入第一减法器，得到的误差theta_offset即为编码器安装误差，将theta_offset作为固定补偿和读取的theta_spi一起送入第一加法器，得到theta_rotor作为FOC控制下的位置信号；即可以避免因为编码器安装偏差导致的标定数据偏差。
（2）dq轴电流进行矢量闭环控制；
给定dq轴电流的指令，将采样获得的三相电流进行clark->park变换获得dq轴实际电流id_real和iq_real，id_real和iq_real分别表示d轴实际电流和q轴实际电流，将iq_ref(iq_ref表示q轴指令电流)和iq_real一起送入第一减法器，经过PI调节器，输出uq；将id_ref(id_ref表示d轴指令电流)和id_real一起送入第二减法器，经过PI调节器，输出ud；对ud和uq进行限幅处理，此处ud按照电压极限圆进行限幅，uq按照sqrt(us_limit^2-ud^2)(us_limit表示当前控制器所能输出的最大相电压幅值)进行限幅，这样即可以保证在电流矢量触发饱和点后，调节id_real电流值，仍可以退出饱和，电流矢量继续向深度弱磁区域变化并稳定运行；对ud、uq进行clark反变换得到ualfa、ubeta，基于ualfa、ubeta计算当前电压矢量所处扇区，并计算相应的三相占空比，实现电机在矢量控制下稳定运行。
（3）在电机的MTPA运行区，以电流定步长和角度定步长进行扭矩搜点，寻找最优(最优角度为Is_ref一定时，最大扭矩所对应的theta_ref，即MTPA运行点)角度并进行记录；
首先，固定电流搜索步长△Is和角度搜索步长△theta，按照电流搜索步长逐步加大电流指令，维持电流指令恒定不变，按照角度搜索步长逐步加大电流矢量角度theta（一般为90-180度），等待2s钟左右，待扭矩稳定后，判断当前扭矩相交上次扭矩变化趋势，若扭矩变大，则继续搜索；若扭矩变小，停止搜索，保存上一次电流-角度-转速-扭矩等数据，本次电流指令下的搜点步骤完成；加大电流指令，重复上述步骤，直至电流指令达到设定的峰值电流，则完成所有MTPA区的电流矢量搜点工作。
（4）在电机的弱磁运行区，获取母线电压，根据设定的电压调制率MI，计算参考电压U_ref，调节电压闭环使电流始终运行在电压极限圆内。固定上位机发送的is_ref_send(is_ref_send和Is_ref表示同一含义，由于此处需要特指是上位机下发的指令，所以用is_ref_send表示)和角度均不变，由下位机芯片通过构建电压闭环策略完成弱磁电流点的搜索；在is_ref_send和电流矢量角度不变的情况下，上位机向下位机芯片发送固定的id_ref_send和iq_ref_send(id_ref_send即为id_ref，iq_ref_send即为iq_ref;此处均特指上位机下发的指令)指令，下位机接受到电流指令命令后；进入矢量闭环控制，同时，电压闭环调节器开始工作，将Us_ref和Us(Us_ref表示设定相电压幅值，Us表示实际运行的相电压幅值)一起送入第二减法器，经过PI调节器之后，输出△id_ref，为了确保在标定过程中电流矢量维持不变，仅调整电流角度变化，将id_ref_send和△id_ref一起送入第二加法器，计算最终的id_ref=id_ref_send+△id_ref；进而获得iq_ref=sqrt(is_ref_send^2-id_ref^2)；新的电流指令即为当前转速下，固定is_ref_send，最优的(当电压调节器最终稳定输出△id_ref时，当前的弱磁电流矢量点(id_ref,iq_ref)即为最优电流矢量)弱磁电流矢量，计算电流矢量角theta=arctan(iq_ref/id_ref)，记录下当前电流-角度-转速-扭矩等数据，本次电流指令下的搜点步骤完成；加大电流指令，重复上述步骤，直至电流指令达到设定的峰值电流；
以上步骤均完成后，则一个转速点下的FW扭矩搜点任务结束；开始下个转速点下的扭矩搜索任务，直至搜索到峰值转速，则所有FW扭矩搜点任务均结束；
对以上搜索到的电流点(指的是在所有转速点下，相应扭矩点对应的电流矢量点，即通过Is_ref和theta_ref表示的电流矢量点)在上位机后台程序中进行数据处理，生成扭矩查表的二维表格，导出数据并转化为stm32工程可以添加的.c、.h文件，方便后续添加移植。
Claims (3)
1.一种电动助力车用凸极电机自动标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）向电机注入高频电流，进行零位辨识；（2）dq轴电流进行矢量闭环控制；（3）在电机的MTPA运行区，以电流定步长和角度定步长进行扭矩搜点，寻找最优角度并进行记录；（4）在电机的弱磁运行区，获取母线电压，根据设定的电压调制率MI，计算参考电压U_ref，调节电压闭环使电流始终运行在电压极限圆内；
所述步骤（1）中向电机注入高频电流包括如下步骤：
向d轴电压Ud注入高频电压信号，此高频电压信号会体现在dq轴电流上，在dq轴上可以提取出高频响应电流i_hf，由于凸极电机的dq轴电感差异较大，在高频电压扫完一个电角度周期后，i_hf中即存在包含位置信号的基波电流；q轴电流相对于d轴电流，整体波动较小，将q轴电流iq经过带通滤波器获得高频响应电流，再将i_hf经过低通滤波器，获得包含位置信号的基波电流i_fun；
将估计的角度信号theta_HF代入FOC闭环，则获得的基波电流中不再包含角度信号，而是实际角度和估计角度之间的误差theta_error，对theta_error进行PI控制，得到估计速度wr_HF，对wr_HF进行积分，得到最终的估计角度theta_HF；
由于是初始位置辨识，给定的ud、uq均需设置为0，将获得的辨识位置信号theta_HF和编码器获取的位置信号theta_spi一起送入第一减法器，得到的误差theta_offset即为编码器安装误差，将theta_offset作为固定补偿和读取的theta_spi一起送入第一加法器，得到theta_rotor作为FOC控制下的位置信号；即可以避免因为编码器安装偏差导致的标定数据偏差；
所述步骤（2）中对dq轴电流进行矢量闭环控制步骤如下：给定dq轴电流的指令，将采样获得的三相电流进行clark->park变换获得dq轴实际电流id_real和iq_real，id_real和iq_real分别表示d轴实际电流和q轴实际电流，将iq_ref和iq_real一起送入第一减法器，经过PI调节器，输出uq；将id_ref和id_real一起送入第二减法器，经过PI调节器，输出ud；对ud和uq进行限幅处理，此处ud按照电压极限圆进行限幅，uq按照sqrt(us_limit^2-ud^2)进行限幅，这样即可以保证在电流矢量触发饱和点后，调节id电流值，仍可以退出饱和，电流矢量继续向深度弱磁区域变化并稳定运行；对ud、uq进行clark反变换得到ualfa、ubeta，基于ualfa、ubeta计算当前电压矢量所处扇区，并计算相应的三相占空比，实现电机在矢量控制下稳定运行。
2.根据权利要求1所述的电动助力车用凸极电机自动标定方法，其特征在于，所述步骤（3）中，电机的MTPA运行区，电流-扭矩搜点方法为：
首先，固定电流搜索步长△Is和角度搜索步长△theta，按照电流搜索步长逐步加大电流指令，维持电流指令恒定不变，按照角度搜索步长逐步加大电流矢量角度theta，等待2s钟，待扭矩稳定后，判断当前扭矩相交上次扭矩变化趋势，若扭矩变大，则继续搜索；若扭矩变小，停止搜索，保存上一次电流-角度-转速-扭矩等数据，本次电流指令下的搜点步骤完成；加大电流指令，重复上述步骤，直至电流指令达到设定的峰值电流，则完成所有MTPA区的电流矢量搜点工作。
3.根据权利要求1所述的电动助力车用凸极电机自动标定方法，其特征在于，所述步骤（4）中，在FW运行区，电流-扭矩搜点方法为：
固定上位机发送的is_ref_send和角度均不变，由下位机芯片通过构建电压闭环策略完成弱磁电流点的搜索；在is_ref_send和电流矢量角度不变的情况下，上位机向下位机芯片发送固定的id_ref_send和iq_ref_send指令，下位机接受到电流指令命令后；进入矢量闭环控制，同时，电压闭环调节器开始工作，将Us_ref和Us一起送入第二减法器，经过PI调节器之后，输出△id_ref，为了确保在标定过程中电流矢量维持不变，仅调整电流角度变化，将id_ref_send和△id_ref一起送入第二加法器，计算最终的id_ref=id_ref_send+△id_ref；进而获得iq_ref=sqrt(is_ref_send^2-id_ref^2)；新的电流指令即为当前转速下，固定is_ref_send，最优的弱磁电流矢量，计算电流矢量角theta=arctan(iq_ref/id_ref)，记录下当前电流-角度-转速-扭矩等数据，本次电流指令下的搜点步骤完成；加大电流指令，重复上述步骤，直至电流指令达到设定的峰值电流；
以上步骤均完成后，则一个转速点下的FW扭矩搜点任务结束；开始下个转速点下的扭矩搜索任务，直至搜索到峰值转速，则所有FW扭矩搜点任务均结束；
对以上搜索到的电流点在上位机后台程序中进行数据处理，生成扭矩查表的二维表格，导出数据并转化为stm32工程可以添加的.c、.h文件，方便后续添加移植。
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| Title |
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| 一种凸极式永磁同步电机闭环MTPA控制策略研究;蔡国庆;姚文熙;章玮;;机电工程(09);第970-974页 * |
| 储能式有轨电车的永磁同步电机控制策略优化;杨高兴;张瑞峰;路瑶;詹哲军;柴璐军;;微电机(07);第66-70、104页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112671281A (zh) | 2021-04-16 |
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Legal Events
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