專利名稱：一種故障模式下永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算，更具體地涉及故障模式下的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算方法。
背景技術(shù)：
永磁電機(jī)既有交流電機(jī)的無電刷結(jié)構(gòu)、運行可靠的優(yōu)點，又有直流電機(jī)的調(diào)速性能好的優(yōu)點，且無需要勵磁繞組，可以做到體積小、控制效率高，是當(dāng)前電動汽車電機(jī)研究與應(yīng)用的熱點。永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以分為無刷直流電機(jī)(BLD-CM)系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)(PMSM)系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)(PMSM)系統(tǒng)具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點。通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)可以獲得較高的弱磁性能，提高電機(jī)的調(diào)速范圍，因此在電動汽車驅(qū)動方面具有很好的應(yīng)用價值。三相電壓型逆變器通常被用于控制混合動力車輛中電動機(jī)相位電流的幅度和頻率。對于永磁同步電機(jī)而言，逆變器的故障可以引起電動機(jī)內(nèi)不受控制的制動轉(zhuǎn)矩。這樣的驅(qū)動系統(tǒng)故障可以大致被分為短路型故障和開路型故障，也即三相短路和三相開路故障。一般而言，整車控制器(VCU)需要電機(jī)控制器(MCU)來反饋永磁電機(jī)的實際輸出轉(zhuǎn)矩。由于在汽車上一般沒有相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩傳感器，該轉(zhuǎn)矩實際上由電機(jī)控制器根據(jù)電機(jī)參數(shù)計算得到。在操作時，整車控制器會根據(jù)工況向電機(jī)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)矩指令，而電機(jī)控制器在永磁電機(jī)正常運轉(zhuǎn)的情況下將依照該轉(zhuǎn)矩指令對電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制，例如通過控制電流來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，并且相應(yīng)地估算出電機(jī)的實際輸出轉(zhuǎn)矩反饋給整車控制器。但是，在電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生上述故障的情況下，電機(jī)控制器將不響應(yīng)整車控制器的轉(zhuǎn)矩指令，而為了保證整體上的正常運行，其仍然需要向整車控制器反饋一個電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩值。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中還幾乎沒有用于電機(jī)故障模式(如三相短路或者三相開路)的轉(zhuǎn)矩監(jiān)測方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于通過在電機(jī)控制器中建立故障模式(三相短路或三相開路)的轉(zhuǎn)矩估算方法，從而保證不同工況下的轉(zhuǎn)矩監(jiān)控能力，提高轉(zhuǎn)矩安全特性和系統(tǒng)可靠性。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算方法，所述方法包括以下步驟(a)接收電機(jī)工作狀態(tài)以及多個電機(jī)控制器檢測信號；(b)根據(jù)所述電機(jī)工作狀態(tài)來選擇轉(zhuǎn)矩估算算法，其中當(dāng)所述電機(jī)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(jī)工作狀態(tài)為故障模式時，根據(jù)所述多個電機(jī)控制器檢測信號中的一個或多個進(jìn)行查表來得到轉(zhuǎn)矩輸出。在一些實施例中，所述故障模式包括三相短路和三相開路。優(yōu)選地，對于所述三相短路故障模式，所述表格為預(yù)先通過試驗測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子溫度與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并且所述多個電機(jī)控制器檢測信號包括電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫、度。對于所述三相開路故障模式，所述表格為預(yù)先通過試驗測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并且所述多個電機(jī)控制器檢測信號包括電機(jī)轉(zhuǎn)速。優(yōu)選地，所述預(yù)定的轉(zhuǎn)矩計算公式為r= (；U +(Ld-Lq)id)，其中id和分別
為d軸電流和q軸電流，Ld為d軸電感，Ltl為q軸電感，A pM為永磁磁鏈，T為轉(zhuǎn)矩，P為電機(jī)極對數(shù)。優(yōu)選地，所述多個電機(jī)控制器檢測信號可以包括電機(jī)電壓、q軸電流、d軸電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子溫度、直流母線電壓、直流母線電流。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(a)接收電機(jī)工作狀態(tài)以及多個電機(jī)控制器檢測信號；(b)根據(jù)所述電機(jī)工作狀態(tài)來選擇轉(zhuǎn)矩估算算法，其中當(dāng)所述電機(jī)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(jī)工作狀態(tài)為故障模式時，按照功率等效計算公式UdcIdc n = Tn實時地計算轉(zhuǎn)矩輸出，其中Udc為直流母線電壓，Idc為直流母線電流，n·為系統(tǒng)效率，T為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速。在一些實施例中，所述故障模式包括三相短路和三相開路。在一些實施例中，所述預(yù)定的轉(zhuǎn)矩計算公式為F =+(Ld-Lq)id)其中id
丄
和分別為d軸電流和q軸電流，Ld為d軸電感，Lq為q軸電感，A pM為永磁磁鏈，T為轉(zhuǎn)矩，P為電機(jī)極對數(shù)。在一些實施例中,所述預(yù)定的轉(zhuǎn)矩計算公式也為功率等效計算公式UtkItk n =Tn,其中Udc為直流母線電壓，Idc為直流母線電流，n為系統(tǒng)效率，T為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速。優(yōu)選地，所述多個電機(jī)控制器檢測信號可以包括電機(jī)電壓、q軸電流、d軸電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子溫度、直流母線電壓、直流母線電流。利用本發(fā)明的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算方法，可以在故障模式下向整車控制器準(zhǔn)確地傳送電機(jī)當(dāng)前的輸出轉(zhuǎn)矩，從而增強(qiáng)故障模式下的轉(zhuǎn)矩安全特性。


以下將結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩估算方法的第一實施例的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩估算方法的第二實施例的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點更加明顯易懂，以下結(jié)合附圖和具體實施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。需要說明的是，附圖中的各結(jié)構(gòu)只是示意性的而不是限定性的，以使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠最佳地理解本發(fā)明的原理，其不一定按比例繪制。圖I是根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩估算方法的第一實施例的示意圖。該方法的主要步驟可以由集成的電機(jī)控制器來執(zhí)行，但這不是限制性的。舉例來說，該方法也可以利用各個獨立的控制單元協(xié)同完成。如圖I所示，電機(jī)控制器可以從例如永磁電機(jī)模塊接收指示該電機(jī)工作狀態(tài)的信號，所述電機(jī)工作狀態(tài)可以分為正常模式和故障模式。此外，電機(jī)控制器還可以從其他各個模塊接收多個電機(jī)控制器檢測信號，其中所述模塊可以是安裝在電機(jī)上的不同位置的傳感器。這些傳感器測量相應(yīng)的物理參數(shù)，并且將所測得各個參數(shù)值傳送給電機(jī)控制器，該電機(jī)控制器以各種方式與這些傳感器耦接來接收攜載參數(shù)值的信號。可以根據(jù)所采用的估算方法來確定電機(jī)控制器需要接收哪些檢測信號，這將在下文中詳細(xì)說明。根據(jù)該實施例，所述電機(jī)控制器首先將根據(jù)所收到的電機(jī)狀態(tài)信號來獲得關(guān)于該電機(jī)的工作狀態(tài)是否正常的信息。如果該信號指示電機(jī)工作正常，則根據(jù)本發(fā)明的方法電機(jī)控制器將采用實時計算的方式來確定電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩?？梢赃x擇與當(dāng)前所使用的電機(jī)或者當(dāng)前所處的應(yīng)用場景相匹配的轉(zhuǎn)矩計算公式，將其預(yù)存在電機(jī)控制器的存儲器中。一般地，轉(zhuǎn)矩計算公式中的各個變量對應(yīng)于實際測得的各個物理參數(shù)，例如電機(jī)電壓、q軸電流、d軸電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子溫度、直流母線電壓、直流母線電流等等。在正常模式下，電機(jī)控制器會將其接收到的相應(yīng)的參數(shù)值代入所選用的轉(zhuǎn)矩計算公式進(jìn)行求解，由此得到當(dāng)前狀態(tài)下的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。這個求解過程一般通過諸如計算機(jī)等處理設(shè)備來完成。舉例來說，所述轉(zhuǎn)
矩計算公式的一個例子可以是T =+(Ld-Lq)id)，其中id和分別為d軸電流和 q軸電流，Ld為d軸電感，Ltl為q軸電感，A pM為永磁磁鏈，T為轉(zhuǎn)矩，P為電機(jī)極對數(shù)。相反地，如果收到指示工作狀態(tài)為故障模式的信號時，則所述電機(jī)控制器將不再根據(jù)公式來實時計算轉(zhuǎn)矩，而是采用查表法來確定當(dāng)前狀態(tài)下電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。所述查表可以是根據(jù)多個電機(jī)控制器檢測信號中的一個或多個來進(jìn)行查表，即以該參數(shù)的測量值為索引，找到與其對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值。該一個或多個物理參數(shù)與轉(zhuǎn)矩之間的對應(yīng)關(guān)系可以通過預(yù)先進(jìn)行試驗或者根據(jù)經(jīng)驗值來確定并且以表格的形式存儲在電機(jī)控制器中。目前在混合動力車中常用的是三相交流永磁同步電機(jī)，其由定子及轉(zhuǎn)子兩大部分所組成，定子上有三相交流繞組，而轉(zhuǎn)子上則有成對磁極。對于這種電機(jī)，所述故障模式通常包括三相短路和三相開路兩種。下面將以這兩種電機(jī)故障為例來詳細(xì)說明該查表步驟。當(dāng)電機(jī)三相短路時，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度有關(guān)，因此可以預(yù)先確定電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系而使得電機(jī)控制器可以實際測得的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度值為索引來查找輸出轉(zhuǎn)矩。可以例如通過臺架試驗測試當(dāng)電機(jī)三相短路時，在不同電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度下的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。舉例來說，試驗臺架由被試電機(jī)及逆變器、功率分析儀、紅外熱像儀、電機(jī)支架、測功機(jī)等設(shè)備組成。首先將被試電機(jī)三相短路，然后控制測功機(jī)轉(zhuǎn)速，記錄不同轉(zhuǎn)速、不同轉(zhuǎn)子溫度下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。應(yīng)理解的是，所述電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子溫度與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系也可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的任何試驗方法得到。由此測得的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度與轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系被以二維表格的形式存放在電機(jī)控制器中供查表步驟使用。當(dāng)電機(jī)三相開路時，電機(jī)將通過不可控整流將能量回饋至直流母線，使母線電壓迅速上升。此時，電機(jī)、不可控整流管、母線電容電阻形成一個回路，從而使得電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。據(jù)此可以認(rèn)為，電機(jī)三相開路下的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速存在對應(yīng)關(guān)系，而電機(jī)控制器可以實際測得的轉(zhuǎn)速為索引來查找輸出轉(zhuǎn)矩。可以通過與上文中相對于三相短路情況所描述的相類似的臺架試驗來測試當(dāng)電機(jī)三相開路時，在不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。在試驗過程中，將被試電機(jī)控制在不同轉(zhuǎn)速下運行，突然將被試電機(jī)三相開路，同時斷開測功機(jī)，記錄不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。由此測得的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系被以一維表格的形式存放在電機(jī)控制器中供查表步驟使用。在電機(jī)三相短路或者三相開路時，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩計算方法將不再準(zhǔn)確，尤其是在極低轉(zhuǎn)速的情況下會產(chǎn)生很大的誤差，而利用上述查表法省去了這種不必要的處理器計算過程，并且得到了更加準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩輸出，增強(qiáng)了在電機(jī)故障情況下的轉(zhuǎn)矩安全特性。圖2是根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩估算方法的第二實施例的示意圖。在該實施例中，電機(jī)控制器同樣接收指示該電機(jī)工作狀態(tài)的信號以及各種電機(jī)控制器檢測信號，根據(jù)電機(jī)工作是否正常而采用不同的轉(zhuǎn)矩估算方法。在電機(jī)工作正常的情況下，電機(jī)控制器同樣可以選擇與當(dāng)前所使用的電機(jī)或者當(dāng)前所處的應(yīng)用場景相匹配的轉(zhuǎn)矩計算公式來實時計算得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，如相對于第一實施例所描述的那樣。所述轉(zhuǎn)矩計算公式可以是
T = ^PiMpm+(Ld，其中id和分別為d軸電流和q軸電流，Ld為d軸電感，Lq為
q軸電感，X pM為永磁磁鏈，T為轉(zhuǎn)矩，p為電機(jī)極對數(shù)，如圖2所示。
與上述第一實施例不同的是，電機(jī)控制器在電機(jī)處于故障模式下時不采用查表的方式，而是采用功率等效計算的方法。在采用功率等效方法的情況下，電機(jī)控制器將根據(jù)直流母線電壓、直流母線電流、當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速及預(yù)存的效率值來計算當(dāng)前輸出轉(zhuǎn)矩，即按照功率等效計算公式UdcJdc;n = Tn實時地進(jìn)行計算，其中Ud。為直流母線電壓，Id。為直流母線電流，n為系統(tǒng)效率，T為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速。該功率等效公式中的各個變量也對應(yīng)于實際測得的各個物理參數(shù)，例如轉(zhuǎn)速、直流母線電壓、直流母線電流等等，電機(jī)控制器會將其接收到的相應(yīng)的電機(jī)參數(shù)值代入上述公式進(jìn)行求解。在電機(jī)三相短路或者三相開路時，與常規(guī)的轉(zhuǎn)矩計算公式相比，通過上述功率等效計算方法能夠更加準(zhǔn)確地獲得轉(zhuǎn)矩輸出。應(yīng)指出的是，該功率等效計算也能夠用于正常模式。以上列舉了若干具體實施例來詳細(xì)闡明本發(fā)明，這些個例僅供說明本發(fā)明的原理及其實施方式之用，而非對本發(fā)明的限制，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還可以做出各種變形和改進(jìn)。因此所有等同的技術(shù)方案均應(yīng)屬于本發(fā)明的范疇并為本發(fā)明的各項權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (a)接收電機(jī)工作狀態(tài)以及多個電機(jī)控制器檢測信號； (b)根據(jù)所述電機(jī)工作狀態(tài)來選擇轉(zhuǎn)矩估算算法，其中 當(dāng)所述電機(jī)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(jī)工作狀態(tài)為故障模式時，根據(jù)所述多個電機(jī)控制器檢測信號中的一個或多個進(jìn)行查表來得到轉(zhuǎn)矩輸出。
2.如權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，其中所述故障模式包括三相短路和三相開路。
3.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，其中 對于所述三相短路故障模式，所述表格為預(yù)先通過試驗測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子溫度與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并且所述多個電機(jī)控制器檢測信號包括電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度； 對于所述三相開路故障模式，所述表格為預(yù)先通過試驗測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并且所述多個電機(jī)控制器檢測信號包括電機(jī)轉(zhuǎn)速。
4.如權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，其中所述預(yù)定的轉(zhuǎn)矩計算公式為T =+(Ld ~Lq)id)，其中id和分別為d軸電流和q軸電流，Ld為d軸電感，Lq為q軸電感，λ ΡΜ為永磁磁鏈，T為轉(zhuǎn)矩，P為電機(jī)極對數(shù)。
5.如權(quán)利要求I至4中任意ー項所述的轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，其中所述多個電機(jī)控制器檢測信號包括電機(jī)電壓、Q軸電流、d軸電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子溫度、直流母線電壓、直流母線電流。
6.一種永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (a)接收電機(jī)工作狀態(tài)以及多個電機(jī)控制器檢測信號； (b)根據(jù)所述電機(jī)工作狀態(tài)來選擇轉(zhuǎn)矩估算算法，其中 當(dāng)所述電機(jī)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(jī)工作狀態(tài)為故障模式吋，按照功率等效計算公式Udc;Id。n = Tn實時地計算轉(zhuǎn)矩輸出，其中Udc為直流母線電壓，Idc為直流母線電流，Π為系統(tǒng)效率，T為轉(zhuǎn)矩，η為轉(zhuǎn)速。
7.如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，其中所述故障模式包括三相短路和三相開路。
8.如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，所述預(yù)定的轉(zhuǎn)矩計算公式為T = ^+(Ld -Lq)id)，其中id和分別為d軸電流和q軸電流，Ld為d軸電感，Lq為q軸電感，λ ΡΜ為永磁磁鏈，T為轉(zhuǎn)矩，P為電機(jī)極對數(shù)。
9.如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在干，當(dāng)所述電機(jī)工作狀態(tài)為正常模式時，所述預(yù)定的轉(zhuǎn)矩計算公式也為功率等效計算公式UdcIdc η = Τη，其中Udc為直流母線電壓，Idc為直流母線電流，n為系統(tǒng)效率，T為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速。
10.如權(quán)利要求6至9中任意ー項所述的轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，其中所述多個電機(jī)控制器檢測信號包括電機(jī)電壓、q軸電流、d軸電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子溫度、直流母線電壓、直流母線電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(a)接收電機(jī)工作狀態(tài)以及多個電機(jī)控制器檢測信號；(b)根據(jù)所述電機(jī)工作狀態(tài)來選擇轉(zhuǎn)矩估算算法，其中當(dāng)所述電機(jī)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(jī)工作狀態(tài)為故障模式時，根據(jù)所述多個電機(jī)控制器檢測信號中的一個或多個進(jìn)行查表來得到轉(zhuǎn)矩輸出或者按照功率等效計算公式UdcIdcη＝Tn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。利用本發(fā)明的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算方法，可在故障模式下向整車控制器準(zhǔn)確地傳送電機(jī)當(dāng)前的輸出轉(zhuǎn)矩，從而增強(qiáng)故障模式下的轉(zhuǎn)矩安全特性。
文檔編號H02P6/08GK102694493SQ20111007102
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者楊紅, 洪文成, 黃少銳 申請人:上海捷能汽車技術(shù)有限公司