本發(fā)明涉及一種永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩在線計算方法，屬于電機驅(qū)動控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

新能源汽車一般情況下是由多個動力源驅(qū)動整車，動力源包括電機和發(fā)動機等，電機既可和發(fā)動機同時驅(qū)動也可單獨驅(qū)動完成各種整車工作模式。電機在整車中多采用轉(zhuǎn)矩控制模式，但多數(shù)車用電機的工作環(huán)境溫度范圍都在-40℃到150℃之間。對于永磁同步電機，在該溫度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩輸出會隨著溫度的升高而降低，導(dǎo)致整車輸出動力不足。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩安全，一種方法是在電機輸出軸上增加轉(zhuǎn)矩傳感器，對輸出轉(zhuǎn)矩進行實時監(jiān)控，以保證系統(tǒng)安全，但是，這會導(dǎo)致整車成本升高，而且整車的空間非常有限。另一種方法是開發(fā)轉(zhuǎn)矩估算，以監(jiān)控電機輸出，提高電機系統(tǒng)的可靠性。這種方法僅利用系統(tǒng)的原有參數(shù)即可進行轉(zhuǎn)矩估算，不需要額外傳感器，降低了硬件成本，因此得到廣泛應(yīng)用。目前轉(zhuǎn)矩估算方法大體可以分為兩類：磁鏈估算法和滑模觀測器法。磁鏈估算法是以三相電流、電壓和轉(zhuǎn)子位置作為三個輸入量，通過估算磁通進而估算轉(zhuǎn)矩，這種方法軟件程序簡單，可以很容易地集成到單片機或者dsp中，然而，缺點是由于積分和溫度變化導(dǎo)致磁通有很大的直流偏置，該偏置會給轉(zhuǎn)矩估算帶來偏差?；Ｓ^測器法是通過滑模觀測器估算轉(zhuǎn)矩，這種方法的主要缺點是由于電機本體參數(shù)如d-q軸電感和定子電阻等都是時變的，模型的穩(wěn)定性和收斂性不好。

申請?zhí)?01110071027.6公開了一種《一種故障模式下永磁電機轉(zhuǎn)矩估算方法》，其提出當(dāng)所述電機工作狀態(tài)為正常模式時，按照預(yù)定的轉(zhuǎn)矩計算公式實時地計算轉(zhuǎn)矩輸出；當(dāng)所述電機工作狀態(tài)為故障模式時，根據(jù)所述多個電機控制器檢測信號中的一個或多個進行查表來得到轉(zhuǎn)矩輸出或者按照功率等效計算公式udc*idc*η＝t*n實時地計算得到轉(zhuǎn)矩輸出，其中udc為直流母線電壓，idc為直流母線電流，η為系統(tǒng)效率，t為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速。該方法未考慮永磁體溫度的對轉(zhuǎn)矩輸出影響，且依賴大量實驗數(shù)據(jù)，實際應(yīng)用中的精度不高。

申請?zhí)?01310124299.7公開了一種《電動馬達扭矩估算》，通過校準(zhǔn)馬達以使得對于每個扭矩指令均具有對應(yīng)的直軸（d軸）和交軸（q軸）電流指令。該方法包括建立扭矩指令t*。分別確定對應(yīng)于扭矩指令t*的d軸和q軸電流指令id*、iq*?；趇d*、iq*控制馬達。分別測量d軸和q軸電流id、iq。根據(jù)扭矩指令t*與扭矩差之和估算輸出扭矩。根據(jù)id*、iq*、id、和iq的函數(shù)確定扭矩差?？苫诠浪愕妮敵雠ぞ乜刂栖囕v。該專利通過轉(zhuǎn)矩指令t*查表獲得d軸和q軸電流指令id*、iq*，并未考慮溫度對轉(zhuǎn)矩的影響。

綜上所述，以上轉(zhuǎn)矩估算方法都未考慮永磁體溫度的影響，且均依賴于永磁同步電機本體的ld、lq和rs等參數(shù)，而這些參數(shù)的時變特性限制了轉(zhuǎn)矩估算的精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩在線計算方法，該方法通過測量主動短路電流補償了溫度對永磁體磁鏈影響，提高永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩計算精度。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩在線計算方法，由整車控制單元、主動短路控制單元、逆變開關(guān)電路、永磁同步電機、位置傳感器、三相電流傳感器、位置及轉(zhuǎn)速處理單元、clark和park變換單元和轉(zhuǎn)矩計算模塊組成；其特征在于：

所述整車控制單元用于根據(jù)整車工作模式向主動短路控制單元發(fā)出主動短路控制指令；

所述主動短路控制單元根據(jù)整車控制單元發(fā)出的主動短路控制指令和位置及轉(zhuǎn)速處理單元輸出的轉(zhuǎn)速信號判斷是否實施主動短路控制，當(dāng)整車控制單元輸出的主動短路控制指令為且電機機械轉(zhuǎn)速超過拐點轉(zhuǎn)速g，在兩個條件均成立的情況下，輸出主動短路pwm信號到逆變開關(guān)電路，如不滿足條件則不輸出主動短路pwm信號；

所述逆變開關(guān)電路包括六個開關(guān)元件，開關(guān)元件為絕緣柵雙極晶體管(igbt)，用于執(zhí)行主動短路控制單元發(fā)出的主動短路pwm信號，控制相應(yīng)的三個上橋臂或下橋臂開關(guān)元件執(zhí)行閉合動作；

所述永磁同步電機為三相永磁同步電機，是被控對象，接受逆變開關(guān)電路的控制；

所述位置傳感器為旋轉(zhuǎn)變壓器或者絕對位置光電編碼器，其用于檢測電機轉(zhuǎn)子絕對位置；

所述三相電流傳感器為基于霍爾效應(yīng)的非接觸式電流傳感器或基于利用串入相線中電阻產(chǎn)生電壓原理的接觸式電流傳感器，其用于檢測永磁同步電機的三相電流，并將采集的電流信號輸出到clark和park變換單元；

所述位置及轉(zhuǎn)速處理單元根據(jù)位置傳感器輸出信號計算轉(zhuǎn)子位置θ和電機機械轉(zhuǎn)速ω；

所述clark和park變換單元接收電流傳感器檢測到的三相電流、、和位置及轉(zhuǎn)速處理單元輸出的位置信號θ，根據(jù)公式（1）、公式（2）和公式（3）換算為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直軸電流和交軸電流；

clark變換公式如下：

（1）

（2）

park變換公式如下：

（3）

其中，、為靜止坐標(biāo)系下的直、交軸電流；、、為靜止坐標(biāo)系下的三相交流電流；θ轉(zhuǎn)子位置電角度；、為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直、交軸電流。

所述轉(zhuǎn)矩計算模塊包括交流相電流幅值計算單元、永磁體磁鏈查表模塊、直交軸電感查表單元和轉(zhuǎn)矩計算單元；其中，所述交流相電流幅值計算單元根據(jù)公式（11）計算交流相電流幅值，輸出給永磁體磁鏈查表模塊；所述永磁體磁鏈查表模塊用于根據(jù)交流相電流幅值查表獲得永磁體磁鏈值；所述直交軸電感查表單元根據(jù)直交軸電流查表獲得直交軸電感和；所述的轉(zhuǎn)矩計算單元根據(jù)永磁同步電機轉(zhuǎn)矩公式（4）進行計算。

（4）

其中，p為電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)；te為電磁轉(zhuǎn)矩；為永磁體磁鏈；

轉(zhuǎn)矩公式（4）中，直軸電流和交軸電流可以通過clark和park變換單元計算得到，直交軸電感和通過直交軸電感查表單元獲得，p為電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)為常數(shù)，公式中永磁體磁鏈不能做常數(shù)處理，其受轉(zhuǎn)子溫度影響很大，隨著轉(zhuǎn)子溫度的上升而減小，反之，增加。由于無法直接測量，只能采用間接測量方法，具體方法如下：

忽略電機相繞組漏電感、鐵心飽和、渦流和磁滯損耗，電流為對稱的三相正弦電流，則其穩(wěn)態(tài)電壓方程如下：

（5）

（6）

其中，為直軸電壓、為交軸電壓，r為定子電阻。

在電機三相短路情況下，忽略功率模塊的管壓降，則直軸電壓和交軸電壓為零，

（7）

（8）

進一步可得：

（9）

（10）

同時，由于直交軸電流滿足如下關(guān)系：

（11）

其中，為定子相電流幅值。

當(dāng)電機機械轉(zhuǎn)速ω趨近于無窮大時，則有，

（12）

（13）

（14）

（15）

因此，通過試驗標(biāo)定出不同溫度下永磁體磁鏈與定子相電流幅值的一一對應(yīng)關(guān)系，通過以is為索引，查表獲得永磁體磁鏈數(shù)值，帶入到公司（4）中即可在線計算永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩。

所述直交軸電感查表單元，由于直軸電感是直軸電流和交軸電流的函數(shù)，通過有限元仿真軟件可以得到二者之間的對應(yīng)關(guān)系，同理可得交軸電感與直交軸電流和的對應(yīng)關(guān)系。

一種永磁同步電機永磁體磁鏈在線測量方法，具體包括以下步驟：

a、對系統(tǒng)上電進行初始化；

b、由主動短路控制單元判斷主動短路指令是否為；如是，執(zhí)行步驟d，否則停留在此步驟繼續(xù)判斷；

c、接著判斷電機機械轉(zhuǎn)速是否超過拐點轉(zhuǎn)速g；如是，則執(zhí)行步驟d，否則返回步驟b；

d、由主動短路控制單元發(fā)出主動短路控制指令，逆變開關(guān)電路3實施主動短路；

e、由位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置，三相電流傳感器、檢測三相電流；由位置及轉(zhuǎn)速處理單元計算轉(zhuǎn)子位置和電機機械轉(zhuǎn)速；由clark和park變換單元計算直交軸電流；由交流相電流幅值計算單元計算相電流幅值is；

f、由步驟e計算出的直交軸電流，輸入到交流相電流幅值計算單元計算相電流幅值is；根據(jù)is對永磁體磁鏈查表獲得永磁體磁鏈數(shù)值；由直交軸電感查表單元通過查表獲得直交軸電感數(shù)值；

g、由轉(zhuǎn)矩計算單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式計算輸出轉(zhuǎn)矩。

步驟f中，所述永磁體磁鏈表格為試驗法獲得，每個轉(zhuǎn)子溫度對應(yīng)一個永磁體磁鏈數(shù)值，在不同轉(zhuǎn)子溫度下，對永磁同步電機進行不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)短路試驗而獲得短路電流幅值與永磁體磁鏈的關(guān)系。

步驟f中，所述永磁體磁鏈表格也可為仿真法獲得，是根據(jù)永磁同步電機有限元仿真模型獲得不同轉(zhuǎn)子溫度和轉(zhuǎn)速下，短路電流幅值與永磁體磁鏈的關(guān)系表。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為：

1、永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩在線計算不依賴如定子電阻和直交軸電壓等電機參數(shù)。

2、整車控制單元根據(jù)當(dāng)前的工作模式發(fā)出主動短路指令，有利于整車轉(zhuǎn)矩監(jiān)控和功能安全，否則，電機自行進行主動短路控制會產(chǎn)生很大的指令力矩，可造成車輛的不期望的減速；更為嚴(yán)重的是，電機作為執(zhí)行器不能自行改變工作模式或者增加減小控制指令，電機的輸出應(yīng)該符合整車控制器的期望值。

3、整車控制單元可以根據(jù)電機當(dāng)前的工作模式發(fā)送主動短路指令，如電機空載、不需要電機助力或者發(fā)電工況。在主動短路過程中，電機控制單元實時反饋短路轉(zhuǎn)矩避免產(chǎn)生不期望的加減速或者其他零部件損壞；也可以將短路轉(zhuǎn)矩曲線存儲在整車控制單元中，整車控制單元可以直接查表或者做前饋控制。

4、為了避免永磁體磁鏈測量的不連續(xù)性，整車控制可以采取定時向電機發(fā)送主動短路指令的方法來解決；也可以在電機控制單元中存儲多次測量數(shù)據(jù)，通過插值運算來估算永磁體磁鏈。

5、該方法不需要額外硬件電路（如相電壓檢測電路、pwm信號重構(gòu)）和軟件算法，只需實施主動短路控制，與永磁同步電機控制兼容。

附圖說明

圖1為本發(fā)明永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩在線計算原理框圖；

圖2為本發(fā)明永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩在線計算流程圖；

圖3為本發(fā)明轉(zhuǎn)矩計算模塊原理框圖；

圖4a為本發(fā)明直軸電感與直交軸電流參數(shù)關(guān)系圖；

圖4b為本發(fā)明交軸電感與直交軸電流參數(shù)關(guān)系圖；

圖5為本發(fā)明三相短路電流、短路轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

圖中，1整車控制單元2.主動短路控制單元3.逆變開關(guān)電路4.永磁同步電機5.位置傳感器6.三相電流傳感器7.位置及轉(zhuǎn)速處理單元8.clark和park變換單元9.轉(zhuǎn)矩計算模塊91.交流相電流幅值計算單元92.永磁體磁鏈查表模塊93.直交軸電感查表單元94.轉(zhuǎn)矩計算單元。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明并不局限于此。

本發(fā)明通過三相主動短路對永磁同步電機永磁體磁鏈進行在線測量。

如圖1所示，所述整車控制單元1用于根據(jù)整車工作模式在不需要電機工作于主動輸出力矩的情況下，如發(fā)動機單獨驅(qū)動、發(fā)動機怠速和發(fā)動機制動等工況，向主動短路控制單元2發(fā)出主動短路控制指令。

所述主動短路控制單元2根據(jù)整車控制單元1發(fā)出的主動短路控制指令和位置及轉(zhuǎn)速處理單元7輸出的轉(zhuǎn)速信號判斷是否實施主動短路控制，當(dāng)整車控制單元1輸出的主動短路控制指令為1且電機機械轉(zhuǎn)速超過拐點轉(zhuǎn)速g，在兩個條件均成立的情況下，輸出主動短路pwm信號到逆變開關(guān)電路3，如不滿足條件則不輸出主動短路pwm信號；

所述逆變開關(guān)電路3包括六個開關(guān)元件，每個開關(guān)元件q1到q6都是絕緣柵雙極晶體管(igbt)，在逆變器電路中，第一開關(guān)元件q1、第三開關(guān)元件q3和第五開關(guān)元件q5分別與第二開關(guān)元件q2、第四開關(guān)元件q4和第六開關(guān)元件q6串聯(lián)相連，開關(guān)元件q1與q2之間的節(jié)點與電動機的u相端子相連；開關(guān)元件q3與q4之間的節(jié)點與電動機的v相端子相連；開關(guān)元件q5與q6之間的節(jié)點與電動機的w相端子相連；逆變開關(guān)電路3根據(jù)主動短路控制單元2的pwm信號指令驅(qū)動內(nèi)部的功率電子器件進行三相下橋臂q2，q4和q6的閉合或者斷開動作，或者進行三相上橋臂q1，q3和q5的閉合或者斷開動作，用以實現(xiàn)電機三相線的短路或者斷開操作；

所述永磁同步電機4為三相永磁同步電機，是被控對象，接受逆變開關(guān)電路3的控制；

所述位置傳感器5為旋轉(zhuǎn)變壓器或者絕對位置光電編碼器，其用于檢測電機轉(zhuǎn)子絕對位置；

所述三相電流傳感器6為基于霍爾效應(yīng)的非接觸式電流傳感器或基于利用串入相線中電阻產(chǎn)生電壓原理的接觸式電流傳感器，其用于檢測永磁同步電機4的三相電流，并將采集的電流信號輸出到clark和park變換單元8；

所述位置及轉(zhuǎn)速處理單元7根據(jù)位置傳感器5輸出信號計算轉(zhuǎn)子位置θ和電機機械轉(zhuǎn)速ω；

所述clark和park變換單元8用于將三相電流傳感器6檢測到的三相電流中任意兩相電流換算為直交軸電流和；

在主動短路過程中，主動短路控制單元2實時反饋短路轉(zhuǎn)矩避免產(chǎn)生不期望的加減速或者其他零部件損壞，也可以將短路轉(zhuǎn)矩曲線存儲在整車控制單元1中，整車控制單元1可以直接查表或者做前饋控制。

整車控制單元1可以采取定時向電機發(fā)送主動短路指令的方式避免永磁體磁鏈測量的不連續(xù)性，也可以在主動短路控制單元2中存儲多次測量數(shù)據(jù)，通過插值運算來估算永磁體磁鏈。

如圖2所示，本實施例中永磁同步電機永磁體磁鏈在線測量過程如下：

一種永磁同步電機永磁體磁鏈在線測量方法，包括以下步驟：

a、對系統(tǒng)上電進行初始化；

b、由主動短路控制單元2判斷主動短路指令是否為1；如是，執(zhí)行步驟d，否則停留在此步驟繼續(xù)判斷；

c、接著判斷電機機械轉(zhuǎn)速是否超過拐點轉(zhuǎn)速g；如是，則執(zhí)行步驟d，否則返回步驟b；

d、由主動短路控制單元2發(fā)出主動短路控制指令，逆變開關(guān)電路3實施主動短路；

e、由位置傳感器5檢測電機轉(zhuǎn)子位置，三相電流傳感器6、檢測三相電流；由位置及轉(zhuǎn)速處理單元計算轉(zhuǎn)子位置和電機機械轉(zhuǎn)速；由clark和park變換單元8計算直交軸電流；由交流相電流幅值計算單元91計算相電流幅值is；

f、由步驟e計算出的直交軸電流，輸入到交流相電流幅值計算單元91計算相電流幅值is；根據(jù)is對永磁體磁鏈查表獲得不同永磁體磁鏈數(shù)值；由直交軸電感查表單元93通過查表獲得直交軸電感數(shù)值；

g、由轉(zhuǎn)矩計算單元94根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式計算輸出轉(zhuǎn)矩。

步驟f中，所述永磁體磁鏈表格為試驗法獲得，每個轉(zhuǎn)子溫度對應(yīng)一個永磁體磁鏈數(shù)值，在不同轉(zhuǎn)子溫度下，對永磁同步電機進行不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)短路試驗而獲得短路電流幅值與永磁體磁鏈的關(guān)系。

步驟f中，所述永磁體磁鏈表格也可為仿真法獲得，是根據(jù)永磁同步電機有限元仿真模型獲得不同轉(zhuǎn)子溫度和轉(zhuǎn)速下，短路電流幅值與永磁體磁鏈的關(guān)系表。

如圖3所示，所述轉(zhuǎn)矩計算模塊9包括交流相電流幅值計算單元91、永磁體磁鏈查表模塊92、直交軸電感查表單元93和轉(zhuǎn)矩計算單元94；其中，所述交流相電流幅值計算單元91根據(jù)公式（11）計算交流相電流幅值，輸出給永磁體磁鏈查表模塊92；所述永磁體磁鏈查表模塊92用于根據(jù)交流相電流幅值查表獲得永磁體磁鏈值；所述直交軸電感查表單元93根據(jù)直交軸電流和查表獲得直交軸電感和；所述的轉(zhuǎn)矩計算單元94根據(jù)永磁同步電機轉(zhuǎn)矩公式（4）進行計算。

如圖4a所示，為本實施例的直軸電感與直交軸電流曲線圖，x軸為直軸電流，y軸為交軸電流，z軸為直軸電感。由圖可以看出直軸電感是直軸電流和交軸電流的函數(shù)，以直軸和交軸電流為索引查表運算即可獲得直軸電感數(shù)值。

如圖4b所示，為本實施例的交軸電感與直交軸電流曲線圖，x軸為直軸電流，y軸為交軸電流，z軸為交軸電感。由圖可以看出交軸電感是直軸電流和交軸電流的函數(shù)，以直軸和交軸電流為索引查表運算即可獲得交軸電感數(shù)值。

如圖5所示，為本實施例三相短路電流、短路轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，橫軸為電機機械轉(zhuǎn)速，縱軸為三相短路電流有效值和短路轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機的三相短路電流有效值在低轉(zhuǎn)速段隨著轉(zhuǎn)速增加而迅速上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過拐點轉(zhuǎn)速g后，其電流有效值基本不變。影響短路電流幅值的因素主要是永磁體磁鏈大小，與永磁體磁鏈數(shù)值成正比，與永磁體溫度成反比。圖中標(biāo)出了-35℃，60℃和150℃三種轉(zhuǎn)子永磁體溫度下，三相短路電流有效值與電機機械轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系，在超過拐點轉(zhuǎn)速后，同一電機機械轉(zhuǎn)速與-35℃，60℃和150℃曲線的交點對應(yīng)3個相電流幅值，每個相電流對應(yīng)一個永磁體磁鏈數(shù)據(jù)，在最低溫度-35℃和最高溫度150℃情況下，短路電流有效值相差達65a，利用該特點可以有效檢測永磁體磁鏈數(shù)值；類似的，可以形成一個以相電流幅值為索引的永磁體磁鏈表格；在實際使用中并不限于使用3條曲線，曲線數(shù)量根據(jù)溫度范圍進行設(shè)定。永磁同步電機的三相短路轉(zhuǎn)矩為與電機機械轉(zhuǎn)速相反的阻力矩，因此，電機正向旋轉(zhuǎn)的情況下其短路轉(zhuǎn)矩為負值；隨著轉(zhuǎn)速升高，其短路轉(zhuǎn)矩絕對值先增加后減小，超過拐點轉(zhuǎn)速g后，逐漸趨于零。

以上，對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行了說明，但本發(fā)明并不限定于上述實施方式。