永磁同步电机标定与控制

新能源车用永磁同步电机的标定与控制2018年8月19日CONTENTS11IdIqMap标定CONTENTS332244标定结果的应用电机本体参数获取温度的影响与补偿11IdIqMap标定电机标定量有哪些？旋变零位电机特性传感器标定•温度特性曲线•软件辨识方法直流定位•电流控制IdIqMap•电机外特性低温/高温•电流传感器斜率直流偏置•母线电压传感器直流定位脉冲电压定位Sensorless估计•电机外特性•温度的影响…………………………………………………………11IdIqMap标定Id/Iq控制命令标定(IdIqMap)□电机控制的核心是在直流电压和电压利用率的约束内，尽量输出更大的转矩达到更高的转速。因此需要找到合理的Id/Iq指令组合用于控制，实现预期的性能目标。□可以通过标定不同转速和转矩下的Id/Iq指令，形成二维表格用于控制。○优点：基于电机实际标定数据，精确度高○优点：基于电机实际标定数据，精确度高动态响应好○缺点：标定工作量巨大无法应对电机一致性差引起的性能差异Hu,Dakai,andLongyaXu.“CharacterizingthetorquelookuptableofanIPMmachineforautomotiveapplication.”Transportationautomotiveapplication.”TransportationElectrificationAsia-Pacific(ITECAsia-Pacific),2014IEEEConferenceandExpo,October30,2014.简称为“文献1”Model-BasedCalibrationToolbox11IdIqMap标定标定前的准备工作□标定前的准备工作○电流校准•得到真实的电流；○电压校准○电压校准•死区补偿---使用命令值代替真实值；•开发电压测量设备，但要注意电压/电流的相位；○定子电阻校准•计算得到准确的电压；•考虑温度的影响；○电流环PI参数调整•保证在测试过程中系统稳定运行；•保证在测试过程中系统稳定运行；○旋变校准•保证电压/电流的真实性。11IdIqMap标定标定前的准备工作：电流延时时间补偿□FOC控制中，电流反馈需要使用ADC采样，所以对于ADC采样的精度以及同步性要求很高。○ADC采样要尽量和位置采样同步发生，两段程序要尽量在执行时间上靠近；○ADC采样尽量要避开PWM切换的时间点；○ADC采样尽量要避开PWM切换的时间点；○在芯片支持的情况下，用于FOC控制的两相要尽量双路同步采样。□Park变换延时：ADC电流采样延时、采样处理电路延时、以及其它环节引起的延时都需要在Park变换时进行角度补偿。○Park变换是针对电流的，因此这个角度补偿会影响扭矩；○在位置上叠加一个补偿量ParkResolverPark*SpeedK○在位置上叠加一个补偿量○使用Iq=0、Id=Const的方法测试不同转速下的偏差量，拟合得到ParkResolverPark*SpeedKParkK11IdIqMap标定标定前的准备工作：电流延时时间补偿□单片机AD采样延时□相电流滤波(RC)延时□传感器延时○经运算后得到的控制电压命令产生新的PWM寄存器比较字只有在下个控制周期才能起作用○控制电压命令对应下个控制周期电压的平均值□……SVPWM和相电流波形n-1TnTn+1T*h()(1)unin*h(1)(2)unin*h(1)()uninAD采样时刻示意图11IdIqMap标定标定前的准备工作：死区补偿□在PWM控制中，为了防止逆变器同一桥臂上下两个开关管同时导通，人为地将开关管导通的触发信号延时一段时间，在死区时间内上下两个开关管都处于关断状态。同时，开关管的导通和关断自身也会产生导通和关断延时。逆变器A相电流流向示意图A相桥臂触发信号和输出电压波形11IdIqMap标定标定前的准备工作：死区补偿□一种死区补偿方法：Y.ParkandS.Sul,“Compensationofinverternonlinearitybasedontrapezoidalvoltage,”2012IEEEEnergyConversionCongressandExposition(ECCE),Raleigh,NC,2012,pp.2292-2299.简称“文献2”Estimateddistortionsofaninverteratstandstillatstandstill(a)outputcurrentandpredictedvoltagedistortion(Vdis),(b)trapezoidalvoltages:current[5A/div],voltage[5V/div],time[10ms/div].11IdIqMap标定标定前的准备工作：主流定位法旋变零位校准□问题：转子磁极与定子U相存在一个角度，即转子的初始位置。□直流定位通过向电机施加某个角度的电压或电流矢量，使电机旋转到该角度。一般可以使U相上桥S1、V相和W相下桥S4、S6开通，向电机施加1-0-0矢量，从而使电机旋转到0角度。开通，向电机施加1-0-0矢量，从而使电机旋转到0角度。○优点：简单方便，定位精度高○缺点：电机需要转动，最好空载11IdIqMap标定标定前的准备工作：脉冲电压注入法旋变零位校准□脉冲电压注入法实施方法○在一个电角度内，以30°(假设)为间距等分成12份，分别在各角度上施加等幅值等时间的电压矢量，同时检测三相电流值并变换到假定的DQ轴上，比较每个角度下D轴电流峰值流值并变换到假定的DQ轴上，比较每个角度下D轴电流峰值的大小，电流最大的角度θ最接近电机转子初始角度。○在上述步凑的基础上采用二分法，在θ±15°施加同样幅值和时间的电压矢量，判断哪个位置θ1最接近电机转子初始角度。○继续进行二分法，在θ1±7.5°、θ2±3.75°、θ3±1.875°上进行同样的操作，此时的理论误差为0.9375°。ˆ875.1ˆˆ15ˆ15ˆ3ˆ875.1ˆ3875.1ˆ3…11IdIqMap标定标定前的准备工作：脉冲电压注入法旋变零位校准○优点：电机无需转动○缺点：需要调试系统(电压矢量的幅值、时间)精度不仅受采样等分辨率影响，同时受电□一个特殊案例•去磁时电枢磁动势的磁路走漏磁路，漏磁路饱和，电感随电流机电磁设计影响。路饱和，电感随电流变化不大。•轻度增磁时，电枢磁动势和永磁磁动势在漏磁路上抵消，使得整个磁路不饱和，这是电感较大。•深度增磁时，漏磁路和主磁路由于电枢磁动势的存在使得磁路饱和，电感开始随着电流增大减小。11IdIqMap标定标定前的准备工作：Sensorless估计法旋变零位校准□以脉振高频电压信号注入法为例○选择注入的脉振高频电压信号dhdhfhˆcosuutaibiiˆihsintqhˆi1ˆqˆidˆieˆdhdhfhqhcosˆ0uutu产生如下的高频电流dhfhdhavgdiff22havgdiffdhfhqhdiff22sinˆ(cos2)()sinˆsin2()utiLLLLutiLLLciqh1sq转子位置估计原理示意图○优点：电机无需转动○缺点：无法分辨N/S极需要调试系统(注入电压幅值、频率等)qhdiff22havgdiffsin2()iLLL需要调试系统(注入电压幅值、频率等)精度不仅受采样等分辨率影响，同时受电机电磁设计影响。11IdIqMap标定IdIqMap标定步凑□STEP1：固定1个恒定转速，根据设定好的电流步长给出不同的，遍历电动/发电状态下的电流极限圆，同时记录电压、温度、扭矩等信息。e_const**dq/ii矩等信息。○需要注意：电流步长；温度；IdIq测试点示意图引自文献111IdIqMap标定IdIqMap标定步凑□STEP2：获取MTPA(MaximumTorquePerAmpere，最大转矩电流比)曲线，即非弱磁区运行时输出同样转矩的最小电流。□红色的点是测量得到的MTPA曲线。○测量值是离散的，因此可以进行差值、拟合。电动状态下Id/Iq/Te曲面11IdIqMap标定IdIqMap标定步凑□STEP3：获取磁通曲面。**qsqdeuRie**dsdqeuRi○注意修正电阻值00()()(10.00393())RTRTTT11IdIqMap标定IdIqMap标定步凑□STEP4：计算全转速范围的IdIqMap。1、开始计算某一转速下的IdIq；2、设置需要的转速间隔和扭矩间隔；e3、得到所需扭矩在MTPA上的Id/Iq命令值；4、查找和曲面；5、计算；6、如果满足，记录该~；否则，减小Id命令值(弱磁)，查找，重复步骤4。****dsdeqqsqeduRiuRi*2*22dqmax()()suuu*eT**dq(,)ii**dqd(,)~ii**dqq(,)~ii**edq(,)~Tii查找，重复步骤4。edq(,)~Tii可运行的电流点引自文献111IdIqMap标定IdIqMap标定影响因素分析□影响因素：○标定电流步长•步长要适中，更精细点可以通过插值得到；○标定转速○标定转速•保证不进入弱磁区的较高转速；○电压Ud/Uq•用于计算磁通，而磁通用于计算电压是否饱和；○温度•尽可能保证温度一致；○损耗电驱系统能量流程图□PMSM的损耗包括：○铜损耗；○损耗•铁损会随转速和电流变化。○铁损耗；○机械损耗•随PMSM运行状态不同而变化11IdIqMap标定IdIqMap标定：损耗影响简析□一般认为，电机铁耗包括磁滞损耗、涡流损耗及附加损耗。□一种铁耗的表达形式：考虑损耗的dq轴等效电路11IdIqMap标定IdIqMap标定：标定方法的优化□对标定结果的评判：○输出扭矩在精度范围内•例如小扭矩±5Nm、大扭矩±3%□标定方法的缺点：○测试误差会随着转速的增大被放大；○可能依然要修正生成的IdIqMap；○输出电压在电压利用率要求区间内•电压利用率=•电压利用率一般约束为92%~95%22(/3)dqdcuuU○没有闭环的校正准则。偏差标定数据IdIqMap11IdIqMap标定IdIqMap标定：标定方法的优化□STEP1：固定1个恒定转速，根据设定好的扭矩步长给出不同的，根据扭矩传感器的反馈调节，直到找到满足当前扭矩命令要求的。e_const*eTeT*eT*T求的。*eT11IdIqMap标定IdIqMap标定：标定方法的优化□STEP2：根据找到的扭矩命令，沿恒扭矩曲线寻找满足电压利用率要求的，找到并记录该点。*eT**dq/ii□STEP3：按照STEP1和STEP2遍历IdIqMap中所有转速/扭矩工况。22电机本体参数磁通参数的获得□IdIqMap标定STEP3：获取磁通曲面。**qsqdeuRie**dsdqeuRi□IPMSM在dq轴下的电压方程为ddiuRiLLiddsddeqqqqsqqeddefdiuRiLLidtdiuRiLLidt22电机本体参数电感参数的获得□IPMSM在dq轴下的电压方程为ddsddeqqdiuRiLLidtddsdd_deq_sqdiuRiLLidtdiqqsqqeddefdiuRiLLidtqqsqq_ded_sdefdiuRiLLidt□电磁转矩方程为enfqdqdq1.5(())TpiLLiienfqd_sq_sdq1.5(())TpiLLii22电机本体参数电感参数的获得□磁通曲面的切线即为动态电感33标定结果应用电压前馈补偿□永磁同步电机简化电机模型为：ddsddeqqdiuRiLLidtdiqqsqqeddefdiuRiLLidt