用于估计同步电动机的电磁转矩的方法与流程

用于估计同步电动机的电磁转矩的方法
1.本发明涉及一种用于估计三相同步电动机、特别是永磁三相同步电动机(pmsm)的电磁转矩的方法。
2.本发明有利地应用于混合动力电动车辆和电动机动车辆的领域，其中这种类型的电动机特别由于其稳健性、简单性和维护成本低而在车辆的电力牵引模式中广泛用作牵引马达。
3.在电力牵引的机动车辆中，特别是出于安全和/或控制的原因，需要知晓由电动机提供的马达转矩的真实值。一般来说，电动机的机械驱动转矩是从转矩仪获得的，该转矩仪测量轴上的转矩。然而，出于比如成本、可靠性和体积等许多原因，优选从驱动系统去除转矩仪，并用转矩估计器代替转矩仪。
4.转矩估计器被设计成使用某些可用变量(比如，电压、电流和转子的位置)来估计由电动机提供的转矩的真实值。
5.常规地，可以使用两个两相模型来表示电动机，这两个两相模型分别使用克拉克变换(clarke transform)和派克变换(park transform)，克拉克变换基于与定子相关的固定两相参考系，派克变换基于与转子相关的旋转两相参考系。因此在与定子和转子相关的参考系中变换的量一方面使用指数α、β表达，并且另一方面使用指数d、q表达，这些指数分别对应于固定两相参考系中的两条轴线和旋转两相参考系中的两条轴线。
6.由于电动机的磁通量与所提供的转矩之间的关系密切，电动机的转矩能够通过对电动机的通量的估计来观测。目前已知若干技术用于基于两相电流和电压来估计永磁三相同步电动机的通量。这些技术分为分别基于电压模型和电流模型的两类。
7.关于基于电压模型的通量估计技术，使用在与定子相关的参考系中测量的电压和电流来计算电动势。随后通过计算电动势的积分来获得定子通量。
8.然而，这种估计方法意味着对初始磁性条件(永磁体的通量和定子电感)的精确了解，而现实中并非总能如此。因此，由于这种不确定性，相对于电动机的真实通量，通量的幅度的估计可能存在结果偏移。使用电压-通量模型的通量估计中的这种偏移随后在估计的转矩上产生振荡项。
9.此外，在电动机的操作期间容易发生的退磁和磁饱和问题也在使用电动机的电压-通量模型估计的转矩上产生振荡项。
10.因此估计的转矩的另一偏离源在于借以向电动机提供电力的逆变器的非线性和/或在于测量不确定性，非线性和/或测量不确定性在计算出的电动势的值上并因此在估计的通量值上产生偏移。
11.另一要解决的问题是确保低速或零速下的可观测性。
12.当添加某些滤波器以便解决上述问题(磁性条件未知和电动势的偏移)时，出现低速下的可观测性问题。
13.现有技术披露了以下与基于电压模型对通量的估计相关的文件。
14.文件us 9985564 b2描述了一种基于两相参考系α、β中的电压模型来估计永磁三相同步电动机的定子通量的方法。代替使用纯积分器对电动势求积分，该文件提出使用电
动势低通滤波器，并且随后添加补偿器以校正滤波器产生的增益和相位改变。
15.文件cn 103346726 a还提出基于电动势来估计永磁三相同步电动机的通量。该文件提出使用二阶滤波器代替纯积分器。该文件还提出估计两相参考系中的q轴的电感，以改进用电压模型进行的估计。
16.文件us 7098623 b2描述了一种通过用两相参考系d、q中的电压模型估计定子通量来估计转子的位置的方法。该文件提出基于低速下的高频信号的注入而自适应地观测通量。
17.文件ep 1513250描述了一种将基于电压模型估计通量的方法与注入高频信号以估计位置进行组合的方法。
18.关于基于电流模型的方法，使用电流、优选在与转子相关的参考系中的电流来估计通量。这些基于电流模型的方法能够克服与基于电压模型的方法相关的上述限制，因为它们不涉及开环积分器的使用。然而，关于这些方法，要解决的问题涉及因磁饱和所致的电感的变化、永磁体通量的不确定性以及对位置传感器的需要。
19.从现有技术中已知与基于电流模型对通量的估计相关的以下文件。
20.文件us 7774148 b2描述了一种基于使用电流模型的通量估计来估计永磁三相同步电动机的转矩的方法。d轴和q轴的通量由两个非线性的电流函数表示。
21.文件cn 103872951 a描述了一种用于永磁三相同步电动机的转矩估计器，该转矩估计器基于用应用于与电流模型相结合的电压模型的滑模观测器进行的通量估计。
22.文件jp 2004166408 a描述了一种用于永磁三相同步电动机的自适应通量估计器，该自适应通量估计器基于具有基于电流模型的校正项的电压模型。
23.在此上下文中，本发明的目的是提出一种用于估计电动机、特别是电动或混合动力机动车辆的永磁同步电动机的转矩的方法，该方法相对于上述限制是稳健的。
24.为此，本发明涉及一种用于估计电动或混合动力机动车辆的永磁三相同步电动机的电磁转矩的方法，该方法包括以下步骤：
[0025]-测量该电动机的定子的相上的与该定子相关的固定三相参考系中的电流和电压，
[0026]-根据该三相参考系中的电流和电压测量值确定与该定子相关的固定两相参考系中的电流和电压，
[0027]-通过计算电动势的积分来计算该电动机的通量的第一估计，该电动势是基于与该定子相关的固定两相参考系中表达的这些电压和这些电流来计算的，
[0028]-基于通过该第一估计估计的通量来估计该电磁转矩，
[0029]
所述方法的特征在于，该方法包括以下步骤：
[0030]-根据该固定两相参考系中表达的这些电流和这些电压以及该转子相对于该定子的位置确定与该转子相关的旋转两相参考系中的电流和电压，
[0031]-使用在与该转子相关的旋转两相参考系中表达的这些电流并行地计算该电动机的通量的第二估计，所述第二通量估计是通过引入表征该电动机的磁性不确定性的变量来校正的，所述变量是由观测器基于与该转子相关的旋转两相参考系中表达的这些定子电流和这些定子电压来确定的，
[0032]-将估计的转矩和设定点转矩进行比较，以及
[0033]-当该估计的转矩与该设定点转矩之间的差超过预定义阈值时，基于通过该第二估计估计的通量重置该通量的符合该第一估计的初始条件。
[0034]
有利地，该方法可以包括以下步骤：当该估计的转矩与该设定点转矩之间的差小于或等于所述阈值时，停用所述第二通量估计的计算。
[0035]
有利地，该方法可以包括以下步骤：确定激活所述第二通量估计的计算的时间相对于该电动机的操作时间的百分比。
[0036]
有利地，该方法可以包括以下步骤：在所述第一通量估计中使用计算出的电动势之前补偿该计算出的电动势的偏移。
[0037]
有利地，该电动机的通量的所述第二估计包括以下步骤：
[0038]-在考虑该电动机的饱和函数的情况下确定该电动机的通量-电流模型，以便在该模型中考虑该电动机的磁性参数的由该电动机的磁饱和和退磁引起的变化，
[0039]-将表征该电动机的磁性不确定性的所述变量引入到该模型中，这些磁性不确定性是该电动机的磁性参数的变化所固有的，
[0040]-在该模型中估计所述变量，该估计由所述观测器执行，
[0041]-基于所述估计的变量计算所述第二通量估计。
[0042]
有利地，所考虑的这些磁性参数是该定子分别在与该转子相关的旋转两相参考系的每条轴线上的线性电感以及由该电动机的转子的永磁体产生的磁通量。
[0043]
有利地，这些饱和函数表示该电动机中的磁饱和和交叉饱和。
[0044]
有利地，该方法包括以下步骤：使用卡尔曼算法(kalman algorithm)来调整该观测器。
[0045]
本发明还涉及一种用于估计电动或混合动力机动车辆的永磁三相同步电动机的电磁转矩的装置，所述装置被设计成接收在该电动机的定子的相上测量的与该定子相关的固定三相参考系中的电流和电压，这些电流和电压被变换到与该定子相关的固定两相参考系中，所述装置包括：
[0046]-第一通量估计器，该第一通量估计器用于估计与该定子相关的固定两相参考系中的电动机的通量，该第一通量估计器包括两个电动势积分器，这些电动势积分器用于估计该通量沿着与该定子相关的固定两相参考系的直轴和交轴这两条轴线的相应分量，所述电动势是基于施加到与该定子相关的固定两相参考系的每条轴线的这些电流和这些电压来计算的，
[0047]-转矩估计器，该转矩估计器被设计成基于该通量的在与该定子相关的固定两相参考系的两条轴线中估计的所述相应分量来估计该电动机的转矩，
[0048]
所述装置的特征在于，该装置包括：
[0049]-第二通量估计器，该第二通量估计器被设计成接收该固定两相参考系中表达的这些电流和这些电压，这些电流和这些电压根据该转子相对于该定子的位置被变换到与该转子相关的旋转两相参考系中，所述第二通量估计器被设计成使用与该转子相关的旋转两相参考系中表达的这些电流来估计通量，所述第二估计器包括基于在与该转子相关的旋转两相参考系中表达的这些定子电流和这些定子电压的观测器，该观测器被设计成确定表征该电动机的磁性不确定性的变量，所述变量用于校正所述第二估计器的通量估计，以及
[0050]-检测器，该检测器被设计成将由该转矩估计器估计的转矩与设定点转矩进行比
较，并且当该估计的转矩与该设定点转矩之间的差大于预定义阈值时，产生能够命令重置所述第一通量估计器的两个积分器的通量的初始条件的信号，所述初始条件是基于由该第二通量估计器提供的通量估计而重置的。
[0051]
有利地，当该估计的转矩与该设定点转矩之间的差小于或等于所述阈值时，所述信号能够停用该第二通量估计器对所述第二通量估计的计算。
[0052]
通过阅读作为说明性的而非限制性的示例并参照以下单一附图而给出的以下描述，本发明的其他特征和优点将变得更清楚：
[0053]
图1是用于实施根据本发明的电磁转矩估计方法的装置的功能框图。
[0054]
在本说明书的上下文中，因此更特别感兴趣的是在混合动力和电动车辆应用中使用的永磁三相同步电动机的情况。
[0055]
在第一步骤中，针对永磁三相同步电动机的定子的三个相中的每一个测量电流和电压。
[0056]
接着，将派克变换应用于测量到的涉及这三个相的量，以便获得直轴电流分量id和交轴电流分量iq，以及直轴电压分量vd和交轴电压分量vq。
[0057]
因此，可以将定子的涉及三相系统的三个相的三个电流和三个正弦电压转置到三个正弦的电流和电压信号以两个恒定的电流和电压信号(分别是直轴上的分量和交轴q上的分量)的形式表达的空间中。出于此目的，派克参考系基于与转子相关的参考系。
[0058]
将在此上下文中描述的转矩估计器是基于电动机的通量估计，该通量估计是基于电动机的改进的电压-通量模型来执行的。
[0059]
电动机的电磁转矩的估计(被表示为)由以下表达式(1)提供：
[0060][0061]
其中：
[0062]-i
α
和i
β
分别是定子电流在克拉克域中的直轴分量和交轴分量，α表示克拉克域的直轴，并且β表示克拉克域的交轴，
[0063]-λ
α
和λ
β
分别是从定子来看的总通量在克拉克域中的直轴分量和交轴分量，
[0064]-p是电动机的极对数。
[0065]
从永磁同步电动机的定子来看的总通量可以是通过使用以下方程组(2)计算电动势的积分来估计的：
[0066][0067][0068]
其中，rs为定子的电阻，v
α
和v
β
分别表示定子电压在克拉克域中的直轴分量和交轴分量，并且和分别表示根据克拉克域中的直轴分量和交轴分量的通量的初始条件。
[0069]
如将在下文更详细地解释的，为了克服使用电动机的电压模型估计通量的问题，本发明提出通过将此模型与修改的电流模型相结合来改进该模型，以便重置积分器的初始
条件和
[0070]
更具体地，使用电流模型和适当的观测器来确定这些初始通量条件，该观测器被设计成估计由磁饱和和退磁引起的模型的磁性不确定性。
[0071]
实际上，对于低电流水平，通量与定子相电流之间的关系是线性的。然而，对于较高的电流，这种线性不再被维持，从而通常导致饱和操作。此外，电动机的高温操作会导致永磁体通量的变化(退磁)。因此，由于电动机的磁饱和和退磁，电动机的电感和永磁体的磁通量以可预见的方式大幅变化。因此，提出采用修改的通量-电流模型，该通量-电流模型将这些变化考虑在内，以便改进模型的性能。
[0072]
出于此目的，将考虑电流模型中电动机的未知磁性条件。所考虑的未知磁性条件是定子的线性电感、永磁体的磁通量和电动机的饱和函数，这些饱和函数表示电动机中的磁饱和和交叉饱和。
[0073]
在模型中考虑电动机的这些未知磁性条件在派克空间中产生以下方程组：
[0074][0075][0076]
其中和分别是定子通量的在电动机的派克平面的直轴d和交轴q上产生的分量，vd和vq分别是施加到电动机的派克平面的直轴d和交轴q这两条轴线的电压，id和iq分别是在电动机的派克平面的直轴d和交轴q这两条轴线上的在电动机中流动的电流，rs是电动机的定子的等效电阻，l
d0
和l
q0
分别是定子的在电动机的派克平面的每条直轴d和交轴q上的线性电感，φf是由转子的永磁体产生的磁通量，并且ωe是转子的角速度。
[0077]fsat(1,2)
是表示电动机中的磁饱和和交叉饱和的函数。
[0078]
并且：
[0079][0080]
其中，l
d0m
和l
q0m
分别是电动机的派克平面的每条直轴d和交轴q上的通量与定子电流之间的线性系数的精确值，φ
fm
是由转子的永磁体产生的磁通量的真实值，并且f
sat(1,2)m
是电动机的相应真实饱和函数。因此，参数δφf和δf
sat(1,2)
表示由方程式(3)和(4)提出的模型中的这些参数的真实值与参考值之间的差。
[0081]
接着，将两个变量g1和g2引入到电流模型中，这些变量对应于所提到的未知磁性条件。出于此目的，首先考虑定子电流id和iq作为状态变量，在方程式(4)中代入方程式(3)，从而得到：
[0082][0083]
其中：
[0084][0085]
因此，由于磁饱和所致的电感的变化和永磁体通量的不确定性，变量g1和g2将电动机的所有磁性不确定性分组在一起。换句话说，将要被观测到的变量g1和g2能够表示由于磁饱和而变化的电动机的磁性行为。将由变量g1和g2描述的参数不确定性引入到电流模型中能够反映以下事实：由于电动机的饱和和退磁，系统的磁性参数(电感和永磁体通量)的值可能不同于模型。如下所述，观测这些变量将能够校正这些不确定性。
[0086]
因此，将使用适当的观测器来估计模型中呈现的这些变量。因此，基础是上述电动机的通量-电流模型，该通量-电流模型将由电动机的磁饱和和退磁引起的电动机的磁性参数(这些磁性参数是电感和永磁体通量)的变化考虑在内，并且基于观测器理论，该观测器理论包括可观测性和状态观测器的概念。因此，当系统的状态无法被测量时，观测器得以设计并能够基于该系统的模型和其他状态的测量来重构此状态。状态被理解为意指定义所观测的系统的一组物理值。此处将使用卡尔曼观测器以观测由变量g1和g2表征的电动机的磁性不确定性。
[0087]
因此，变量g1和g2被认为是两个新的状态变量。在此模型中，g1和g2被假设为分段常数函数，也就是说，值在区间上是常数的函数。将电动机建模的方程组可以用非线性系统的一般形式来重新表述：
[0088][0089]
y＝h(x)
[0090]
其中：
[0091][0092]
并且
[0093][0094]
对于因此建模的系统，观测器可以通过以下方程式来形式化：
[0095][0096]
其中是对应于状态向量的估计状态向量：
[0097][0098]
并且k是观测器的增益。
[0099]
与误差项相乘的增益k的选择能够调整观测器。此增益由卡尔曼算法计算。
[0100]
转子的电动角速度被视为矩阵系统a的输入。这允许观测状态。因此使用时变观测器增益k，如下：
[0101]
k＝p-1ct
r-1
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0102]
其中变量p的动态范围被定义如下：
[0103][0104]
矩阵q和r是正定对称加权矩阵。
[0105]
因此，在使用观测器估计了两个变量g1和g2之后，可以基于上文定义的方程式(4)和(7)来估计总定子通量：
[0106][0107]
已看到，电动机的通量-电压模型已由上述方程组(2)表达，基于该方程组，可以通过计算电动势的积分来估计电动机的通量。因此，通过电压模型进行的定子通量的估计基于可重置积分器的使用，因为在根据本发明的范围内，如上所述，积分器的通量的初始条件由独立的观测器确定，从而能够通过应用方程组(11)基于修改的电流模型来估计通量。
[0108]
因此，使用基于电压模型的第一估计器，从而实施两个纯积分器以估计对应于固定两相参考系中的两条轴线的轴α和β这两条轴线中的通量，并且并行地使用基于旋转两相参考系dq中的电流模型的另一通量估计器，该电流模型用观测器修改以估计这两个积分器的初始通量条件。
[0109]
基于使用电压模型(该电压模型因此通过基于电流模型的另外的通量估计器的使用而得到改进)执行的通量估计，随后可以通过应用表达式(1)来计算永磁同步电动机产生的电磁转矩。
[0110]
为了最小化实时处理中的计算时间，提出的是，当不需要初始化积分器时，停止与观测器相关的处理。因此提出了用于定义初始化的时间的检测器。这个检测器将通过电压
模型估计的转矩(被表示为)与设定点转矩(被表示为t
*e
)进行比较，该设定点转矩对应于要由车辆的电动机提供的转矩并且由车辆的控制系统给出，特别是基于驾驶员对加速器踏板的踩下而给出。如果设定点转矩与估计的转矩之间的误差的绝对值超过预定义阈值ε，那么观测器将被激活，并且基于电压模型的通量估计器的两个积分器将基于初始通量条件而重置，这些初始通量条件由用观测器修改的通量-电流模型确定。因此，用于触发积分器的重置的布尔运算符被引入到电压模型中，该布尔运算符被定义如下：
[0111][0112]
当运算符“res”分别改变为“1”和“0”时，观测器分别被激活和停用。
[0113]
可以感兴趣的是确定观测器被激活的时间相对于电动机用于驱动车辆的总操作时间的百分比。因此引入了新的监控变量，如下：
[0114][0115]
其中∑ti是观测器被激活的时间的总和，并且t
tot
是总操作时间。所监控的变量ot可以根据启动时的未知初始通量条件、磁体的品质、马达的饱和条件、设定点转矩的变化等从0％到100％变化。
[0116]
测量不确定性和/或借以向电动机提供电力的逆变器的非线性可能导致计算出的电动势的偏移。因此，为了补偿此偏移以便避免估计的通量值随时间而偏离，提出计算该偏移的平均值，如下：
[0117][0118]
其中t是电流的周期。
[0119]eαβ-偏移
表示计算出的电动势的偏移。这个值旨在在其用于基于通量-电压模型的通量估计器的积分器之前，从在线计算的电动势减去。
[0120]
图1描述了如上所述用于估计电动机的电磁转矩的方法的框图。
[0121]
首先，针对永磁三相同步电动机的定子的三个相中的每一个收集电流和电压的测量值。
[0122]
通过应用克拉克变换，获得涉及这三个相的测量到的定子电气量到固定两相(分别为直轴和交轴)参考系的两条固定轴线(α、β)上的投影。因此，基于电压模型，在图1的装置的输入处考虑分别施加到克拉克域的直轴和交轴这两条轴线的电流分量和电压分量i
αβ
和v
αβ
，并将其提供给第一通量估计器10。
[0123]
第一通量估计器10首先基于在输入处提供的分量i
αβ
和v
αβ
以及定子电阻rs来分别确定电动势e
αβ
在克拉克域的两条轴线中的每一条上的直轴分量和交轴分量。
[0124]
因此，第一通量估计器10分别针对克拉克域的每个直轴分量和交轴分量包括乘法器101，该乘法器将定子的电阻值rs与所考虑的轴线的电流的相应分量i
αβ
相乘，并将其输出
提供给相应的加法器102。针对所考虑的每个分量，对应的加法器102随后从其接收对应定子电压分量的输入中减去乘法器101的输出，并且在输出处将所考虑的轴线的电动势e
αβ
的相应分量提供给相应的积分器103。针对所考虑的每个分量，对应的积分器103计算电动势的积分，并在输出处分别提供从定子来看的总通量在克拉克域中的直轴分量和交轴分量
[0125]
从定子来看的总通量在克拉克域中的这些直轴分量和交轴分量分别被提供给转矩估计器20，该转矩估计器将通过应用上述表达式(1)来计算由电动机提供的电磁转矩
[0126]
如上文所解释，转矩估计器将其输出提供给检测器30，该检测器被设计成将转矩估计器20基于电压模型估计的转矩与设定点转矩t
*e
进行比较。因此，检测器30包括加法器31，该加法器从转矩估计器20提供的输出中减去此设定点转矩值t
*e
，并将其输出作为绝对值提供给比较器32。所述比较器将估计的转矩与设定点转矩之间的误差的绝对值与预定义阈值ε进行比较，并在输出处提供布尔运算符res，该布尔运算符旨在在其改变为值“1”(这表示估计的转矩与设定点转矩之间的差的绝对值大于预定义阈值)时命令重置第一通量估计器10的两个积分器103。
[0127]
根据本发明，第一通量估计器10的两个积分器103的这种重置的实施基于第二通量估计器40的激活，如上文所解释，该第二通量估计器基于参考系(d,q)中的、用观测器修改的电流模型，以便在考虑电动机的模型的磁性不确定性的情况下校正估计的通量。因此，信号res用于在其分别改变为“1”和“0”时，激活这个第二通量估计器40以及优选停用该第二通量估计器。
[0128]
派克变换电路41根据由角位置传感器检测到的转子相对于定子的位置θe来执行从参考系(α,β)到参考系(d,q)的旋转。因此，对测量到的定子电气量进行克拉克变换之后是轴线的旋转，这种旋转将参考系(α,β)的分量i
αβ
和v
αβ
变换成沿着电动机的派克平面的直轴d和交轴q这两条轴线的连续分量。
[0129]
因此，在第二通量估计器40的输入处提供分别施加到电动机的派克平面的直轴d和交轴q这两条轴线的电流分量和电压分量i
dq
和v
dq
，该第二通量估计器基于用观测器修改的电流模型。
[0130]
在这个第二通量估计器40的输入处也提供转子的旋转速度ωe。
[0131]
在如上文所解释的使用观测器估计了两个变量g1和g2之后，第二通量估计器40通过应用上述方程组(11)在输出处分别提供总通量在派克平面中的估计的直轴d分量和交轴q分量
[0132]
这些分量使用逆派克变换42进行变换，该逆派克变换根据转子相对于定子的位置θe来执行从参考系(d,q)到参考系(α,β)的旋转。因此，逆派克变换42在输出处提供总通量在两相参考系α、β中的分量这些分量是基于电动机的通量-电流模型来估计的，该通量-电流模型伴有观测器以考虑电动机的通量-电流模型的磁性不确定性。
[0133]
因此，当基于通量-电流模型的第二通量估计器40根据基于通量-电压模型而重置
第一估计器10的两个积分器103的信号res被激活时，这些分量被提供给这两个积分器103，以便重置积分器的初始条件和
[0134]
图1的装置还包括监控电路50，该监控电路旨在通过上述变量ot来测量具有观测器的第二估计器40的激活持续时间。
[0135]
最后，图1的装置还描述了用于估计电动势的偏移的电路60，该电路在输出处提供符合上述原理确定的值e
αβ-偏移
。这个偏移值被提供给加法器102，以便从在加法器102的输出处计算出的电动势减去该偏移值。
[0136]
因此，即使不知道初始磁性条件，但将电动机的操作期间的磁性参数的所有变化考虑在内，也可以以精确且稳健的方式估计电动机的转矩。