阅读说明：本技术 一种电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法 (Parameter identification method for permanent magnet synchronous motor of electric vehicle ) 是由 刘晓刚 田雷 徐劲力 卢杰 黄丰云 于 2019-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法,包括判断电动汽车的永磁同步电机是否需要进行参数辨识；当需要进行参数辨识时,向永磁同步电机的交轴期望电流中注入一低频小幅值正弦电流信号,并由调节器对交轴期望电流、直轴期望电流、交轴电压以及直轴电压进行自动调节；通过转速传感器测量永磁同步电机的转速和位置信号,通过电流传感器采集永磁同步电机的三相电流并转换为直轴反馈电流和交轴反馈电流,将数据实时传递至参数辨识环节；通过参数辨识环节对永磁同步电机进行参数辨识,直至参数收敛。本发明可在电机任何运行状态下进行参数辨识,可以很好地满足不同结构永磁同步电机的控制要求,而且辨识出的参数准确,适用范围广。(The invention discloses a parameter identification method of a permanent magnet synchronous motor of an electric automobile, which comprises the steps of judging whether the permanent magnet synchronous motor of the electric automobile needs to be subjected to parameter identification; when parameter identification is needed, a low-frequency small-amplitude sinusoidal current signal is injected into the quadrature axis expected current of the permanent magnet synchronous motor, and the quadrature axis expected current, the direct axis expected current, the quadrature axis voltage and the direct axis voltage are automatically adjusted by an adjuster; measuring rotating speed and position signals of the permanent magnet synchronous motor through a rotating speed sensor, acquiring three-phase current of the permanent magnet synchronous motor through a current sensor, converting the three-phase current into direct-axis feedback current and quadrature-axis feedback current, and transmitting data to a parameter identification link in real time; and performing parameter identification on the permanent magnet synchronous motor through a parameter identification link until the parameters are converged. The invention can identify the parameters under any running state of the motor, can well meet the control requirements of permanent magnet synchronous motors with different structures, and has accurate identified parameters and wide application range.)

一种电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法。

背景技术

永磁同步电机以其高效率、高功率密度等优点，在新能源汽车领域以及工业领域被大量应用。永磁同步电机在运行过程中，直轴电感、交轴电感、定子电阻和转子磁链幅值这四个重要参数会随着运行工况的不同而发生变化，参数的变化将直接影响电机控制系统的效率和稳定性。对于电动汽车驱动电机而言，其转速、转矩都在不断发生变化，且电动汽车对驱动系统的效率和稳定性有很高的要求，因此在电动汽车上有必要对永磁同步电机进行在线参数辨识，通过提高参数的准确性来提高控制系统性能。

目前用于永磁同步电机的参数辨识方法包括最小二乘法、模型参考自适应法、卡尔曼滤波法等，这些方法有一个共同的问题，即辨识方程欠秩。一般使用如下方程(1)进行参数辨识：

式中u_d和u_q分别表示直轴和交轴电压，i_d和i_q分别表示直轴和交轴电流，L_d和L_q分别表示直轴和交轴电感，R_s表示定子电阻，ω_e表示转子电角速度，

表示转子磁链幅值。当电机运行状态稳定时，直轴电流和交轴电流变化缓慢，为了避免微分项将电流测量误差扩大，一般忽略电流微分项，将上述方程简化为方程(2)：

可以看出，辨识方程为二阶，但待辨识参数有四个，即辨识方程欠秩，无法辨识出准确的参数。解决方法有如下几种：

(1)减少待辨识参数。将四个参数中某两个视为固定量，只辨识其余两个参数，这种方案可能导致辨识结果偏离真实值。

(2)增加方程，如通过测量转矩值，将转矩方程作为辨识方程来增加方程阶数。这种方案需要采用额外的传感器，增加成本且不易实现。

(3)采用其他手段来获取某个参数值，如通过温度传感器测量绕组温度，再根据绕组物理特性来得到当前温度下的电阻值，增加成本。

(4)通过向绕组中注入高频电流，再通过测量系统响应来推导出参数值，这种方案的计算量大，过程复杂，对控制器性能要求高。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法，可以在各种电流状态下进行参数辨识，而且辨识出的参数准确。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法，包括如下步骤：

检测电动汽车的运行状态，判断电动汽车的永磁同步电机是否需要进行参数辨识；

当判断所述永磁同步电机需要进行参数辨识时，向永磁同步电机的交轴期望电流中注入一低频小幅值正弦电流信号，并由调节器对交轴期望电流、直轴期望电流、交轴期望电压以及直轴期望电压进行自动调节，使所述交轴电流、直轴期望电流、交轴期望电压以及直轴期望电压处于正弦波动状态且保持输出转矩恒定；

通过转速传感器采集永磁同步电机的转速和位置信号，并通过电流传感器采集永磁同步电机的三相电流并转换为直轴反馈电流和交轴反馈电流并进行低通滤波后，将直轴反馈电流、交轴反馈电流、转子的转速、直轴期望电压和交轴期望电压实时传递至参数辨识环节；

通过参数辨识环节中预设的带遗忘因子的递推最小二乘法对永磁同步电机进行参数辨识，直至参数收敛。

优选的，所述的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法中，所述参数包括直轴电感、交轴电感、定子电阻和转子磁链幅值。

优选的，所述的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法中，判断电动汽车的永磁同步电机是否需要进行参数辨识的方法为：

当电动汽车冷启动时，启动参数辨识系统；

当电动汽车的永磁同步电机的转速或转矩的变化幅度超过预设值时，启动参数辨识系统；

当电动汽车在稳定运行工况的持续时间超过预设时长时，启动参数辨识系统，其中，电动汽车在预设时间段内转速和转矩的变化幅度没有超过预设值时表示电动汽车处于稳定运行工况。

优选的，所述的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法中，所述调节器包括转矩调节器、直轴电流调节器和交轴电流调节器，其中，

所述转矩调节器用于调节交轴期望电流来控制转矩，所述直轴期望电流由交轴期望电流输入至MTPA模块中后计算得出，所述直轴电流调节器通过调节直轴期望电压来控制直轴电流，所述交轴电流调节器通过调节交轴期望电压来控制交轴电流。

优选的，所述的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法中，所述通过转速传感器采集永磁同步电机的转速和位置信号，并通过电流传感器采集永磁同步电机的三相电流并转换为直轴反馈电流和交轴反馈电流并进行低通滤波后，将直轴反馈电流、交轴反馈电流、转子的转速、直轴期望电压和交轴期望电压实时传递至参数辨识环节的步骤包括：

通过转速传感器采集永磁同步电机的转速和位置信号；

通过电流传感器采集永磁同步电机的电流并进行低通滤波后输出至三相静止-两相旋转坐标变换环节，其中，所述电流至少包括A相定子电流和B相定子电流；

三相静止-两相旋转坐标变换环节通过Park变换和Clerk变换将A相定子电流和B相定子电流变换得到交直轴旋转坐标系下的直轴反馈电流和交轴反馈电流，并将得到的直轴反馈电流和交轴反馈电流分别输入直轴电流调节器和交轴电流调节器中；

交轴期望电流和交轴反馈电流的差值经所述交轴电流调节器获得交轴期望电压，直轴期望电流和直轴反馈电流的差值经所述直轴电流调节器获取直轴期望电压；

将直轴反馈电流、交轴反馈电流、转速、直轴期望电压和交轴期望电压实时传递至参数辨识环节。

优选的，所述的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法中，永磁同步电机的参数辨识方程为：

其中，u_d和u_q分别表示直轴和交轴期望电压值，i_d和i_q分别表示直轴和交轴反馈电流值，L_d和L_q分别表示直轴和交轴电感值，R_s表示定子电阻值，ω_e表示转子电角速度值，

表示转子磁链幅值。

优选的，所述的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法中，参数辨识方程离散后转换为符合带遗忘因子的递推最小二乘法格式的方程。

优选的，所述的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法中，离散后的参数辨识方程为：

其中，u_d(k)和

分别表示在k时刻的直轴期望电压值和交轴期望电压值，和

分别表示在k时刻的直轴反馈电流值和交轴反馈电流值，和

分别表示在k-1时刻的直轴反馈电流值和交轴反馈电流值，L_d和L_q分别表示直轴和交轴电感值，R_s表示定子电阻值，

表示在k时刻的转子电角速度值，表示转子磁链幅值。

优选的，所述的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法中，所述通过参数辨识环节中预设的离散后的参数辨识方程对永磁同步电机进行参数辨识，直至参数收敛的步骤之后还包括：

将计算得到的参数存储并作为所述永磁同步电机下一次进行参数辨识的初始值。

相较于现有技术，本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法，包括判断电动汽车的永磁同步电机是否需要进行参数辨识；当需要进行参数辨识时，向永磁同步电机的交轴电流中注入一低频小幅值正弦电流信号，并由调节器对交轴期望电流、直轴期望电流、交轴电压以及直轴电压进行自动调节；通过转速传感器采集永磁同步电机的转速和位置信号，并将采集的永磁同步电机的三相电流转换为直轴反馈电流和交轴反馈电流后，将数据实时传递至参数辨识环节；通过参数辨识环节对永磁同步电机进行参数辨识，直至参数收敛。本发明可在电机任何运行状态下进行参数辨识，可以很好地满足内嵌式和表贴式等不同结构永磁同步电机的控制要求，而且辨识出的参数准确，适用范围广。

附图说明

图1为本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法的一较佳实施例的流程图；

图2为本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法的一较佳实施例的原理框图；

图3为本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法中所述步骤S300的流程图；

图4为电机正常运行时的转矩仿真图；

图5为电机正常运行时的电流仿真图；

图6为本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法在进行参数辨识时转矩的仿真变化图；

图7为本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法在进行参数辨识时电流的仿真变化图；

图8为本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法在进行参数辨识时一较佳实施例的直轴电感辨识结果图；

图9为本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法在进行参数辨识时一较佳实施例的交轴电感辨识结果图；

图10为本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法在进行参数辨识时一较佳实施例的转子磁链辨识结果图；

图11为本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法在进行参数辨识时一较佳实施例的转子电阻辨识结果图。

具体实施方式

本发明提供一种电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1和图2，本实施例提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法，包括如下步骤：

S100、检测电动汽车的运行状态，判断电动汽车的永磁同步电机是否需要进行参数辨识；

S200、当判断所述永磁同步电机需要进行参数辨识时，向永磁同步电机的交轴期望电流中注入一低频小幅值正弦电流信号，并由调节器对交轴期望电流、直轴期望电流、交轴期望电压以及直轴期望电压进行自动调节，使所述交轴电流、直轴期望电流、交轴期望电压以及直轴期望电压处于正弦波动状态且保持输出转矩恒定；

S300、通过转速传感器采集永磁同步电机的转速和位置信号，并通过电流传感器采集永磁同步电机的三相电流并转换为直轴反馈电流和交轴反馈电流并进行低通滤波后，将直轴反馈电流、交轴反馈电流、转子的转速、直轴期望电压和交轴期望电压实时传递至参数辨识环节；

S400、通过参数辨识环节中预设的带遗忘因子的递推最小二乘法对永磁同步电机进行参数辨识，直至参数收敛。

优选的实施例中，所述参数包括直轴电感、交轴电感、定子电阻和转子磁链幅值。

优选的实施例中，所述调节器包括转矩调节器、直轴电流调节器和交轴电流调节器，其中，

所述转矩调节器用于调节交轴期望电流来控制转矩，所述直轴期望电流由交轴期望电流输入至MTPA模块中后计算得出，所述直轴电流调节器通过调节直轴期望电压来控制直轴电流，所述交轴电流调节器通过调节交轴期望电压来控制交轴电流。

具体来说，本发明提供的参数辨识方法可以用于永磁同步电机的各种运行状态，而无需运行在直轴电流为0的状态下，电动汽车在正常行驶的过程中即可完成参数辨识，且输出转矩不会受到影响。实现参数辨识方法的系统包括转矩控制部分和参数辨识部分两大模块。转矩控制部分中，系统的输入为期望转矩，速度调节器根据期望转矩与反馈转矩的差值来调节交轴期望电流分量，然后将交轴期望电流分量输入到MTPA模块(电机最大转矩电流比控制模块)中，通过计算得出符合MTPA电流轨迹的直轴期望电流分量，以提高电机运行效率。之后再通过交轴电流调节器和直轴电流调节器分别对交轴电流分量和直轴电流分量的误差进行调节并输出交轴期望电压和直轴期望电压；之后SVPWM模块(空间电压矢量脉宽调制模块)根据直轴期望电压、交轴期望电压以及电机转子的位置信号，生成控制逆变器功率器件通断的高低电平信号，逆变器进而将直流电转换为驱动永磁同步电机的交流电，使电机输出期望的转矩。

进一步来说，由于当电机运行在转矩和转速都稳定不变的状态下时，其直轴和交轴的电流和电压都基本维持稳定不变，所以此时无法根据方程(1)和方程(2)来辨识四个参数。所以，在本实施例中，向所述永磁同步电机的交轴参考电流中额外注入一正弦电流信号，此正弦电流信号优选为低频小幅值电流信号，额外注入的电流信号相当于一个外部干扰，会引起电机输出转矩的变化，与此同时为了使输出转矩等于期望转矩，控制系统会通过转矩调节器来调节交轴期望电流和直轴期望电流，使得转矩不会出现大的波动。即通过向交轴期望电流中额外注入一个正弦电流信号，使得交轴期望电流、直轴期望电流、交轴期望电压和直轴期望电压这四个量都出现正弦波动，但转矩不会有大的波动。在通过注入电流信号来引起各个电信号波动的同时，通过传感器来测量反馈电流、电压和转速信号，并将测量的数据实时传递到参数辨识环节中，参数辨识环节中预设的程序根据这些数据实时辨识出电机参数。

采用本实施例提供的辨识方法，车辆可以在正常行驶的过程中完成参数辨识，且输出转矩不会受到影响。电动汽车永磁同步电机可分为MTPA和弱磁两种不同的控制方式，在使用电流注入法进行参数辨识时会导致电流偏离理想的MTPA和弱磁轨迹，且进行参数辨识会增大控制器的运算量。而且参数辨识系统不需要持续工作，系统通过检测车辆的实际运行状态来判断是否需要启动参数辨识系统，此外，本方法适用于内置式和表贴式的永磁同步电机。

优选的，判断电动汽车的永磁同步电机是否需要进行参数辨识的方法为：

当电动汽车冷启动时，启动参数辨识系统；

当电动汽车的永磁同步电机的转速或转矩的变化幅度超过预设值时，启动参数辨识系统；

当电动汽车在稳定运行工况的持续时间超过预设时长时，启动参数辨识系统，其中，电动汽车在预设时间段内转速和转矩的变化幅度没有超过预设值时表示电动汽车处于稳定运行工况。

具体来说，当电动汽车冷启动时，参数辨识系统启动，此时以永磁同步电机的设计参数作为初始值进行参数辨识，并将辨识得到的参数作为实际参数进行电机控制。当系统检测判断进入稳定运行工况时，停止参数辨识，将辨识得到的参数作为该稳定运行阶段的实际参数。当电动汽车的转矩或转速发生大幅度变化时，启动参数辨识系统，此时以上一次辨识得到的参数作为初始值进行参数辨识，并将辨识得到的参数作为实际参数进行电机控制。当系统判断电动汽车进入稳定运行工况时，停止参数辨识，将辨识得到的参数作为该稳定运行阶段的实际参数。当电动汽车在一个稳定运行工况的持续时间达到预设值时，启动参数辨识，此时以上一次辨识得到的参数作为初始值进行参数辨识，参数收敛后停止参数辨识，将新的参数值用于控制系统。因此，本发明提供的方法适用于电机的各种运行状态，可以很好的满足永磁同步电机的控制要求。

进一步来说，请参阅图3，所述步骤S300具体包括：

S301、通过转速传感器采集永磁同步电机的转速和位置信号；

S302、通过电流传感器采集永磁同步电机的电流并进行低通滤波后输出至三相静止-两相旋转坐标变换环节，其中，所述电流包括A相定子电流和B相定子电流；

S303、三相静止-两相旋转坐标变换环节通过Park变换和Clerk变换将三相静止坐标系下的A相定子电流和B相定子电流变换得到交直轴旋转坐标系下的直轴反馈电流和交轴反馈电流，并将得到的直轴反馈电流和交轴反馈电流分别输入直轴电流调节器和交轴电流调节器中；

S304、交轴期望电流和交轴反馈电流的差值经所述交轴电流调节器获得交轴期望电压，直轴期望电流和直轴反馈电流的差值经所述直轴电流调节器获取直轴期望电压；

S305、将直轴反馈电流、交轴反馈电流、转速、直轴期望电压和交轴期望电压实时传递至参数辨识环节。

具体来说，请一并参阅图2和图3，系统输入的期望转矩和电机的反馈转矩的差值经过转矩调节器得到交轴期望电流Iq*并输入交轴电流调节器中，交轴期望电流Iq*通过MTPA模块计算得到直轴期望电流Id*后将直轴期望电流Id*输入直轴电流调节器中，在进行参数辨识时，通过电流传感器检测电机的电流Ia和Ib，然后经过坐标变换环节变换得到直轴反馈电流Id和交轴反馈电流Iq，之后将直轴反馈电流Id和交轴反馈电流Iq分别输入直轴电流调节器中和交轴电流调节器中，从而使得交轴期望电流Iq*和交轴反馈电流Iq的差值经所述交轴电流调节器获得交轴期望电压Uq，直轴参考电流Id*和直轴反馈电流Id的差值经所述直轴电流调节器获取直轴期望电压Ud；同时还通过光电编码器采集永磁同步电机的转速信号(转子电角速度)ωe，之后将Id、Iq、Ud、Uq和ωe实时传递至参数辨识环节。

进一步来说，参数辨识环节可用于进行参数辨识，永磁同步电机的参数辨识是基于参数辨识方程来进行参数计算，具体的，所述永磁同步电机的参数辨识方程为：

其中，u_d和u_q分别表示直轴和交轴期望电压值，i_d和i_q分别表示直轴和交轴反馈电流值，L_d和L_q分别表示直轴和交轴电感值，R_s表示定子电阻值，ω_e表示转子电角速度值，

表示转子磁链幅值，且由于通过电流注入使得原本稳定不变的交、直轴电流分量变为了随时间正弦波动的量，因此不能忽略电流微分项，所以方程(3)还需离散化。

具体的，本实施例中，参数辨识方程离散后转换为符合带遗忘因子的递推最小二乘法格式的方程，带遗忘因子的递推最小乘法算法如方程(4)：

所以，方程(3)离散并转化为符合最小二乘法格式的方程如方程(5)所示：

其中，u_d(k)和

分别表示在k时刻的直轴期望电压值和交轴期望电压值，

和

分别表示在k时刻的直轴反馈电流值和交轴反馈电流值，

和分别表示在k-1时刻的直轴反馈电流值和交轴反馈电流值，L_d和L_q分别表示直轴和交轴电感值，R_s表示定子电阻值，

表示在k时刻的转子电角速度值，

表示转子磁链幅值。方程(5)中，

对应方程(3)中的θ_(k)，为需要进行辨识的参数向量；

对应y_(k)；

对应

根据方程(4)和方程(5)，将测量得到的数据代入进行迭代运算，直至参数收敛。

优选的实施例中，所述步骤S400之后还包括：

将计算得到的参数存储并作为所述永磁同步电机下一次进行参数辨识的初始值。

进一步来说，在进行仿真验证时，电机参数如下表所示：

设置目标转矩为40Nm，图4和图5所示为电机正常运行时的仿真数据，转矩稳定在40Nm，波动较小，直轴电流为-14.5A，交轴电流为22A，在MTPA电流轨迹上。图6和图7所示为向交轴注入幅值为2A，频率为2Hz的正弦电流信号下的仿真数据。此时转矩仍然稳定在40Nm，与未注入电流时的转矩效果相同，没有出现转矩波动。此时直轴电流和交轴电流都出现了波动，波动频率与注入信号频率相同。图8、图9、图10、图11分别为直轴电感Ld，交轴电感Lq，转子磁链和转子电阻Rs的辨识结果，从图像可以这4个参数都在较短的时间内收敛到了真实值附近。下表展示了参数在各时间点的辨识结果，从表中可以看出，在0.8s时辨识结果已经很接近真实值，其中直轴电感真实值为0.006，辨识值为0.00626，误差为4.3％；交轴电感真实值为0.015，辨识值为0.01503，误差为0.2％；转子磁链真实值为0.175，辨识值为0.18699，误差为6.9％；定子电阻真实值为0.2，辨识值为0.19249，误差为3.8％，误差较小，可广泛被应用。

时间(s)	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8
									Ld(H)	0.00756	0.00661	0.00647	0.00640	0.00636	0.00635	0.00635	0.00626
Lq(H)	0.01498	0.01497	0.01497	0.01501	0.01502	0.01503	0.01503	0.01503
									φ(Wb)	0.20475	0.19205	0.19004	0.18900	0.18855	0.18837	0.18813	0.18699
Rs(Ω)	0.21639	0.18957	0.18869	0.19324	0.19295	0.19063	0.19267	0.19249

综上所述，本发明提供的电动汽车永磁同步电机的参数辨识方法，包括判断电动汽车的永磁同步电机是否需要进行参数辨识；当需要进行参数辨识时，向永磁同步电机的交轴期望电流中注入一低频小幅值正弦电流信号，并由调节器对交轴期望电流、直轴期望电流、交轴期望电压以及直轴期望电压进行自动调节；通过转速传感器采集永磁同步电机的转速和位置信号，并将采集的永磁同步电机的三相电流转换为直轴反馈电流和交轴反馈电流后，将数据实时传递至参数辨识环节；通过参数辨识环节对永磁同步电机进行参数辨识，直至参数收敛。本发明可在电机任何运行状态下进行参数辨识，可以很好地满足内嵌式和表贴式等不同结构永磁同步电机的控制要求，而且辨识出的参数准确，适用范围广。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。