表征永磁体同步电机的方法技术

本公开涉及表征永磁体同步电机的方法。提供有一种适于表征例如永磁体同步电机的电机的方法，包括以下步骤：获得电机的多个绕组通量链值或端子电压，每一者与相电流量值和相位超前的不同组合对应，将所得到的通量链值或端子电压变换到转子dq参考系中，使用参数优化过程，将通量链模型拟合到一个或多个dq轴通量链值或端子电压，以及它们相关联的相电流量值和相位超前。

Characterization of permanent magnet synchronous motor

【技术实现步骤摘要】
表征永磁体同步电机的方法
本专利技术涉及通过确定定义电机的参数的集合来表征永磁体同步电机的方法。在获取数据之后，可以实时或离线地使用本专利技术的方法的变型。
技术介绍
众所周知，永磁体同步电机用在广泛的应用中。已证明它们尤其适合在电动助力转向系统中使用，因为它们能够在宽的扭矩范围内精确运行，并且是鲁棒的且具有成本效益。在电动助力转向系统中，电机响应于扭矩需求信号而被驱动以将扭矩施加到转向轴或转向机构的其它部件，以帮助驾驶员转动车轮。在完全线控转向系统中，电机可以是转动车辆的转向轮的唯一装置，但是一般而言它将与驾驶员施加的扭矩一起施加扭矩。对于在线参数估计，重要的是具有对没有在改变或正在被用作估计的初始值的电机参数的详细表征。在一定条件范围内对电机进行准确控制需要对电机参数有良好的了解。在简单、广泛使用的电机线性模型中，q轴和d轴电感可以被定义为常数。d轴和q轴上的电流使用以下关系与d轴和q轴电压相关：带有后缀d或q的字母表示d-q系(frame)中的量，诸如电压(u)、电流(i)和电感(L)。Rs为绕组电组，wr为电速度，并且ψm为永磁通量链(fluxlinkage)。这个经典模型是稳健的，但是申请人已经意识到这过于简单，因为它忽略了磁饱和以及交叉耦合的影响。在对永磁体同步机器建模时，当需要准确性时，磁饱和与交叉耦合影响会更加相关。这些参数的识别成为艰巨的任务。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种识别电机模型参数的改进方法。根据第一方面，本专利技术提供了一种适于表征诸如永磁体同步电机之类的电机的方法，该方法包括以下步骤：获得电机的多个绕组通量链值或端子电压，每一者与相电流量值和相位超前的不同组合对应，将所得的通量链值或端子电压变换到转子dq参考系中，使用参数优化过程，将通量链模型拟合到一个或多个dq轴通量链值或端子电压，以及它们相关联的相电流量值和相位超前。该方法可以使用通量链模型，该通量链模型包括饱和对值的拟合的影响。特别地，该方法可以使用通量链模型，该通量链模型包括d轴和q轴之间的交叉耦合的影响，来代替饱和的影响或者作为其补充。现有技术模型通常是不允许这些影响的线性模型，使得它们不适合用于需要准确确定参数的应用。在特别有利的布置中，通量链模型将基于泰勒定理的幂级数用于多元函数。这使得幂级数对所有无限可微函数都有效。从模型确定的参数可以包括以下参数中的一个或多个或所有：该方法可以优化模型系数以确定电机的以下参数的值：-永磁通量链ψm-电机的绕组电阻-d轴和q轴通量之间的交叉耦合；以及-dq电感获得多个绕组通量链值的步骤可以包括通过电机的有限元模拟来获得值。三相电机的电磁有限元模拟可以直接提供三相中的通量，然后本专利技术可以将它们变换到dq系中。将模型拟合到相关联的值的步骤可以包括：使用经变换的值来生成针对d轴和q轴通量链的至少一个映射(map)的步骤，每个映射将具有共同相位超前的通量链值或端子电压分组在一起，以及使用参数优化过程将通量链模型拟合到一个或多个dq轴通量链映射。将模型拟合到通量链值或端子电压的步骤可以包括使用通量链值或端子电压形成一个或多个2D或3D映射的步骤，其中每个映射与不同的相位超前或相电流对应，选择模型的参数以给出模型对每个映射的最优拟合。至少一个映射可以包括dq通量相对于dq电流的曲线图。在替代方案中，映射可以包括dq-通量作为相位超前和电流量值两者的函数的曲线图。这些映射可以通过本专利技术的方法用于参数识别。在替代方案中，该方法可以使用dq电压作为映射的基础，因为已知这些电压是通量链的函数：将模型拟合到一个或多个映射的步骤可以包括二次参数化过程，由此使用基于梯度的方法来确定通量模型的参数，以最小化平方误差的平方和。该方法可以将表示d轴和q轴通量链的幂级数的系数拟合到d轴和q轴通量链映射。该方法可以包括根据所需的准确性来选择级数的幂，该准确性必须与确定参数所需的计算次数进行折衷。较高的幂将提供较高的准确性，但具有较大的计算成本。该方法可以优化模型的参数，该模型包括以下形式的两个等式，分别针对d轴和q轴通量链：其中以及其中其中n是模型阶数，是永磁通量链(ψm)，和是经典dq模型中使用的线性dq电感，并且其余系数与饱和项以及交叉耦合项对应。该方法可以优化模型系数以确定电机的以下参数的值：-永磁通量链ψm-电机的定子相绕组电阻-d轴和q轴通量之间的交叉耦合；以及-dq电感。可以通过以下方法获得多个通量链值：通过直接测量通量链值，通过测量可据此计算通量链值的运行参数或者已知是通量链值的函数的运行参数，或者通过对电机的有限元建模。该方法可以使用这三个替代方案的组合。在使用FE建模的情况下，获得多个绕组通量链值的步骤可以包括获得可由此导出通量链值的运行值，该运行值包括以下中的一个或多个：-电机相电流，意指电机的每一相中流动的电流；-转子角位置；以及-电机的每一相中的通量链。使用有限元方法的计算机软件可容易地获得以用于求解麦克斯韦方程。使用此类软件的技术人员限定要分析的电机的机械几何形状，使用由数据表或测量获取的值为材料指派适当的磁导率，再次使用由数据表或测量获取的值将剩磁(remenance)和退磁特性指派给电机中存在的任何永磁体材料，限定任何材料的电导率，并限定电机中存在的绕组的匝数和位置。这些有限元模型可以是或者二维或者三维。三维问题需要更长的时间来求解，但考虑到端部影响，得出的结果会更加准确。取决于所使用的软件，可以将转子设置为旋转同时绕组内的电流改变，或者电流改变同时将转子保持在适当位置。前者允许利用时间瞬态模拟，其包括电机内的导电材料中的涡流效应。如果已知涡流的影响小，那么可以使用静磁模拟。在任一种情况下，都需要针对与电机反电动势不同的相位处和各种电流量值处的一系列绕组电流进行模拟。根据磁场解计算出通量链作为后处理步骤。通常，针对每个绕组计算通量链值，因此其表示相位量。使用以下等式将这些通量链值与模拟中使用的相电流一起变换到dq轴：其中θ表示转子直轴与定子a相轴之间的电角度。字符S表示要变换的量，诸如通量链、相电流或相电压。应当注意的是，虽然有限元分析提供了获得通量链的简便方法，但也可以使用其它利用磁等效电路的更多传统方法。虽然计算更快，但是其准确性远低于有限元方法。该方法可以涉及在与每10度电角度对应的转子机械位置处的有限元模拟。模拟次数的选择取决于准确性和可用的时间。为了表征在宽的运行范围内的电机，本领域技术人员认识到需要针对一定范围的相电流量值重复进行模拟。在获得了d轴和q轴电流、转子位置以及对应的通量链之后，可以使用二次参数化来优化通量模型系数，以便拟合根据运行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于表征例如永磁体同步电机的电机的方法，包括以下步骤：/n获得电机的多个绕组通量链值或端子电压，每一者与相电流量值和相位超前的不同组合对应，/n将所得到的通量链值或端子电压变换到转子dq参考系中，/n使用参数优化过程，将通量链模型拟合到一个或多个dq轴通量链值或端子电压，以及它们相关联的相电流量值和相位超前。/n

【技术特征摘要】
20181207 GB 1820001.41.一种适于表征例如永磁体同步电机的电机的方法，包括以下步骤：
获得电机的多个绕组通量链值或端子电压，每一者与相电流量值和相位超前的不同组合对应，
将所得到的通量链值或端子电压变换到转子dq参考系中，
使用参数优化过程，将通量链模型拟合到一个或多个dq轴通量链值或端子电压，以及它们相关联的相电流量值和相位超前。


2.如权利要求1所述的方法，其中拟合模型的步骤包括使用通量链模型，该通量链模型包括饱和对值的拟合的影响。


3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中拟合模型的步骤包括使用通量链模型，该通量链模型包括d轴和q轴之间的交叉耦合的影响。


4.如权利要求1、2或权利要求3所述的方法，其中通量链模型将基于泰勒定理的幂级数用于多元函数。


5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中获得所述多个绕组通量链值的步骤包括通过电机的有限元模拟来获得所述值。


6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中将模型拟合到相关联的值的步骤包括使用经变换的值来生成针对d轴和q轴通量链的至少一个映射的步骤，以及使用参数优化过程将通量链模型拟合到所述一个或多个dq轴通量链映射，每个映射将具有共同相位超前的通量链值或端子电压分组在一起。


7.如权利要求6所述的方法，其中将模型拟合到一个或多个映射的步骤包括二次参数化过程，由此使用基于梯度的方法来确定通量模型的参数，以最小化平方误差的平方和。


8.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括模型的拟合，该模型包括以下形式的分别用于d轴和q轴通量链的两个等式：



其中



以及



其中



其中n是模型阶数，是永磁通量链(ψm)，和是经典dq模型中使用的线性dq电感，并且其余系数与饱和以及交叉耦合项对应。


9.如权利要求8所述的方法，其中模型的拟合优化模型系数以确定电机的以下参数的值：
-永磁通量链ψm
-d轴和q轴通量之间的交叉耦合；以及
-dq电感。


10.如从属于权利要求4时权利要求1至9中任一项所述的方法，其中使用以下函数单独地执行模型参数的优化，其中带帽子符号的字母表示估计值，而没有帽子符号的字母是模拟的有限元值。








11.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述多个通量链值通过直接测量通量链值来获得，或者通过测量能够从中计算通量链值或已知是通量链值的函数的诸如端子电压之类的运行参数来获得。


12.如权利要求11所述的方法，其中获得多个绕组通量链值的步骤包括获得能够从中导出通量链值的运行值，所述运行值包括以下一个或多个：
-电机相电压，意指施加到电机的每一相的电压；
-电机相电流，意指在电机的每一相中流动的电流；
-转子角位置。


13.如权利要求12的方法，其中获得多个绕组通量链值的步骤包括获得能够从中导出通量链值的运行值，所述运行值包括电机扭矩的...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·冒尔，L·爱拉，A·思奇文，
申请(专利权)人：TRW有限公司，TRW汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB