本發(fā)明涉及一種電動汽車用永磁同步電機退磁在線檢測方法，屬于電機驅(qū)動控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

新能源汽車一般情況下是由多個動力源驅(qū)動整車，動力源包括電機和發(fā)動機等，電機既可和發(fā)動機同時驅(qū)動也可單獨驅(qū)動完成各種整車工作模式。電動汽車用永磁同步電機的工作環(huán)境溫度范圍都在-40℃到150℃之間，由于長時間工作將導致轉(zhuǎn)子溫升超過允許的閾值，導致永久性退磁。另外，高速運轉(zhuǎn)需要弱磁控制，弱磁電流產(chǎn)生的磁場抵消部分永磁體本身的磁場，使合成的永磁體磁鏈減小，達到弱磁擴速的目的，但是，弱磁電流過大或者失控情況下，也可能導致永磁體部分退磁或者永久退磁。為避免車用永磁同步電機轉(zhuǎn)子永磁體退磁，如下專利提出了退磁檢測方法：

申請?zhí)?01210482964.5公開了一種《永磁同步電機轉(zhuǎn)子失磁檢測方法》，該方法利用上位機給定轉(zhuǎn)速，控制電機運行至穩(wěn)定狀態(tài)后，不斷增加電流值，觀察測功機測得的轉(zhuǎn)矩是否相應(yīng)增加，初步判斷永磁同步電機轉(zhuǎn)子是否失磁，在可能失磁的情況下，控制電機空載運行至穩(wěn)定狀態(tài)后，不斷減小電流值，觀察測功機測得的電機各相電壓與電機空載反電動勢標定數(shù)據(jù)之間的差是否過大，確定永磁同步電機是否轉(zhuǎn)子失磁。該方法未考慮永磁體溫度的對轉(zhuǎn)矩輸出影響，且依賴大量實驗數(shù)據(jù)，實際應(yīng)用中的精度不高。

申請?zhí)?01310378729.8公開了《一種基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法》，首先采集電機失電瞬間定子端任一相的電壓瞬時信號；從電壓瞬時信號中截取自失電時刻起的失電殘壓波形，初步判斷發(fā)生退磁故障的可能性；對截取的失電殘壓進行頻譜變換，確定基波分量幅值；確定基波分量幅值與電機轉(zhuǎn)速的比值即為故障特征；設(shè)置故障預警閥值，所述故障特征與故障預警閥值的比值即為故障因子；依據(jù)故障因子判斷是否存在退磁故障。該方法需要增加額外的霍爾型電壓傳感器增加了成本，同時對需對失電殘壓進行頻譜分析，需要大量運算，不適于在線檢測退磁。

綜上所述，以上退磁檢測方法未考慮永磁體溫度的影響或計算量大而不適于在線檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電動汽車用永磁同步電機退磁在線檢測方法，該方法考慮了溫度（尤其是高溫下）對永磁同步電機退磁的影響，同時通過主動短路電流測量可以在線監(jiān)測永磁體健康狀態(tài),提高檢測精度。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種電動汽車用永磁同步電機退磁在線檢測方法，由整車控制單元、主動短路控制單元、逆變開關(guān)電路、永磁同步電機、位置傳感器、三相電流傳感器、位置及轉(zhuǎn)速處理單元、clark和park變換單元、永磁體磁鏈在線計算模塊、設(shè)定值和比較單元組成；其特征在于：

所述的整車控制單元用于根據(jù)整車工作模式向主動短路控制單元發(fā)出主動短路控制指令；

所述的主動短路控制單元根據(jù)整車控制單元發(fā)出的主動短路控制指令和位置及轉(zhuǎn)速處理單元輸出的轉(zhuǎn)速信號判斷是否實施主動短路控制，當整車控制單元輸出的主動短路控制指令為且電機機械轉(zhuǎn)速超過拐點轉(zhuǎn)速g，在兩個條件均成立的情況下，輸出主動短路pwm信號到逆變開關(guān)電路，如不滿足條件則不輸出主動短路pwm信號；

所述逆變開關(guān)電路包括六個開關(guān)元件，開關(guān)元件為絕緣柵雙極晶體管(igbt)，用于執(zhí)行主動短路控制單元發(fā)出的主動短路pwm信號，控制相應(yīng)的三個上橋臂或下橋臂開關(guān)元件執(zhí)行閉合動作；

所述永磁同步電機為三相永磁同步電機，是被控對象，接受逆變開關(guān)電路的控制；

所述位置傳感器為旋轉(zhuǎn)變壓器或者絕對位置光電編碼器，其用于檢測電機轉(zhuǎn)子絕對位置；

所述三相電流傳感器為基于霍爾效應(yīng)的非接觸式電流傳感器或基于利用串入相線中電阻產(chǎn)生電壓原理的接觸式電流傳感器，其用于檢測永磁同步電機的三相電流，并將采集的電流信號輸出到clark和park變換單元；

所述位置及轉(zhuǎn)速處理單元根據(jù)位置傳感器輸出信號計算轉(zhuǎn)子位置θ和電機機械轉(zhuǎn)速ω；

所述clark和park變換單元接收電流傳感器檢測到的三相電流、、和位置及轉(zhuǎn)速處理單元輸出的位置信號θ，根據(jù)公式（1）、公式（2）和公式（3）換算為旋轉(zhuǎn)坐標系下直軸電流和交軸電流；

clark變換公式如下：

（1）

（2）

park變換公式如下：

（3）

其中，、為靜止坐標系下的直、交軸電流；、、為靜止坐標系下的三相交流電流；θ轉(zhuǎn)子位置電角度；、為旋轉(zhuǎn)坐標系下的直、交軸電流。

所述永磁體磁鏈在線計算模塊包括交流相電流幅值計算單元和永磁體磁鏈查表模塊；其中，所述交流相電流幅值計算單元根據(jù)公式（10）計算交流相電流幅值，輸出給永磁體磁鏈查表模塊；所述永磁體磁鏈查表模塊用于根據(jù)交流相電流幅值查表獲得永磁體磁鏈值；永磁體磁鏈受轉(zhuǎn)子溫度影響很大，隨著轉(zhuǎn)子溫度的上升而減小，反之，增加。由于無法直接測量，只能采用間接測量方法，永磁體磁鏈在線檢測的原理如下：

忽略電機相繞組漏電感、鐵心飽和、渦流和磁滯損耗，電流為對稱的三相正弦電流，則其穩(wěn)態(tài)電壓方程如下：

（4）

（5）

其中，和為直交軸電壓，r為定子電阻，ld、lq為d-q軸電感，r為定子電阻，為永磁體磁鏈，為轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速，p為電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)。

在電機三相短路情況下，忽略功率模塊的管壓降，則直交軸電壓和為零，

（6）

（7）

進一步可得：

（8）

（9）

同時，由于直交軸電流滿足如下關(guān)系：

（10）

其中，為定子相電流幅值。

當電機機械轉(zhuǎn)速ω趨近于無窮大時，則有，

（11）

（12）

（13）

（14）

因此，通過試驗標定出不同溫度下永磁體磁鏈與定子相電流幅值的一一對應(yīng)關(guān)系，通過以is為索引，查表獲得永磁體磁鏈數(shù)值。

一種永磁同步電機永磁體磁鏈在線測量方法，具體包括以下步驟：

a、對系統(tǒng)上電進行初始化；

b、由主動短路控制單元判斷主動短路指令是否為1；如是，執(zhí)行步驟c，否則返回步驟b；

c、接著判斷電機機械轉(zhuǎn)速是否超過拐點轉(zhuǎn)速g；拐點轉(zhuǎn)速g是一個可標定的特征轉(zhuǎn)速點，從短路電流曲線可以看出，超過拐點轉(zhuǎn)速后，短路電流幅值趨于穩(wěn)定，根據(jù)該拐點轉(zhuǎn)速對應(yīng)的短路電流幅值可以計算永磁體磁鏈數(shù)值。如是，則執(zhí)行步驟d，否則返回步驟b；

d、由主動短路控制單元發(fā)出主動短路控制指令，逆變開關(guān)電路實施主動短路；

e、由位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置，三相電流傳感器、檢測三相電流；由位置及轉(zhuǎn)速處理單元計算轉(zhuǎn)子位置和電機機械轉(zhuǎn)速；由clark和park變換單元計算直交軸電流；由交流相電流幅值計算單元計算相電流幅值is；

f、由步驟e計算出的直交軸電流，輸入到交流相電流幅值計算單元計算相電流幅值is；根據(jù)is對永磁體磁鏈查表獲得永磁體磁鏈數(shù)值；

g、判斷永磁體磁鏈低于設(shè)定值，如是，則執(zhí)行步驟h；如否，則，則執(zhí)行步驟i。

h、對永磁體退磁標志位置1，并發(fā)送到整車控制單元，返回步驟b；

i、對永磁體退磁標志位置0，并發(fā)送到整車控制單元，返回步驟b。

步驟f中，所述永磁體磁鏈表格為試驗法獲得，每個轉(zhuǎn)子溫度對應(yīng)一個永磁體磁鏈數(shù)值，在不同轉(zhuǎn)子溫度下，對永磁同步電機進行不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)短路試驗而獲得短路電流幅值與永磁體磁鏈的關(guān)系，在電機三相主動短路情況下，短路電流幅值和永磁體磁鏈符合公式（14）關(guān)系，當轉(zhuǎn)速超過拐點轉(zhuǎn)速g后，短路電流幅值越大，則永磁體磁鏈越小，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)子溫度越高，當短路電流幅值超過設(shè)定的最大值后，將出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。

步驟f中，所述永磁體磁鏈表格也可為仿真法獲得，是根據(jù)永磁同步電機有限元仿真模型獲得不同轉(zhuǎn)子溫度和轉(zhuǎn)速下，短路電流幅值與永磁體磁鏈的關(guān)系表。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為：

1、本發(fā)明采用了三相主動短路方式檢測永磁同步電機退磁，該方法只需檢測相電流幅值，同時考慮了溫度對永磁體磁鏈的影響。另外，在永磁同步電機發(fā)生退磁的情況下，主動短路檢測的電流幅值較大，提高了檢測精度。

2、整車控制單元根據(jù)當前的工作模式發(fā)出主動短路指令，有利于整車轉(zhuǎn)矩監(jiān)控和功能安全，否則，電機自行進行主動短路控制會產(chǎn)生很大的指令力矩，可造成車輛的不期望的減速；更為嚴重的是，電機作為執(zhí)行器不能自行改變工作模式或者增加減小控制指令，電機的輸出應(yīng)該符合整車控制器的期望值。

3、整車控制單元可以根據(jù)電機當前的工作模式發(fā)送主動短路指令，如電機空載、不需要電機助力或者發(fā)電工況。在主動短路過程中，電機控制單元實時反饋短路轉(zhuǎn)矩避免產(chǎn)生不期望的加減速或者其他零部件損壞；也可以將短路轉(zhuǎn)矩曲線存儲在整車控制單元中，整車控制單元可以直接查表或者做前饋控制。

4、為了避免永磁體磁鏈測量的不連續(xù)性，整車控制可以采取定時向電機發(fā)送主動短路指令的方法來解決；也可以在電機控制單元中存儲多次測量數(shù)據(jù)，通過插值運算來估算永磁體磁鏈。

附圖說明

圖1為本發(fā)明永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩在線檢測原理框圖；

圖2為本發(fā)明永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩在線檢測流程圖；

圖3為本發(fā)明永磁體磁鏈在線計算模塊原理框圖；

圖4為本發(fā)明三相短路電流、短路轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

圖中，1整車控制單元2.主動短路控制單元3.逆變開關(guān)電路4.永磁同步電機5.位置傳感器6.三相電流傳感器7.位置及轉(zhuǎn)速處理單元8.clark和park變換單元9.轉(zhuǎn)矩計算模塊91.交流相電流幅值計算單元92.永磁體磁鏈查表模塊10.設(shè)定值11.比較單元。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明并不局限于此。

本發(fā)明通過三相主動短路對永磁同步電機永磁體磁鏈進行在線測量。

如圖1所示，所述整車控制單元1用于根據(jù)整車工作模式在不需要電機工作于主動輸出力矩的情況下，如發(fā)動機單獨驅(qū)動、發(fā)動機怠速和發(fā)動機制動等工況，向主動短路控制單元2發(fā)出主動短路控制指令。

所述主動短路控制單元2根據(jù)整車控制單元1發(fā)出的主動短路控制指令和位置及轉(zhuǎn)速處理單元7輸出的轉(zhuǎn)速信號判斷是否實施主動短路控制，當整車控制單元1輸出的主動短路控制指令為1且電機機械轉(zhuǎn)速超過拐點轉(zhuǎn)速g，在兩個條件均成立的情況下，輸出主動短路pwm信號到逆變開關(guān)電路3，如不滿足條件則不輸出主動短路pwm信號；

所述逆變開關(guān)電路3包括六個開關(guān)元件，每個開關(guān)元件q1到q6都是絕緣柵雙極晶體管(igbt)，在逆變器電路中，第一開關(guān)元件q1、第三開關(guān)元件q3和第五開關(guān)元件q5分別與第二開關(guān)元件q2、第四開關(guān)元件q4和第六開關(guān)元件q6串聯(lián)相連，開關(guān)元件q1與q2之間的節(jié)點與電動機的u相端子相連；開關(guān)元件q3與q4之間的節(jié)點與電動機的v相端子相連；開關(guān)元件q5與q6之間的節(jié)點與電動機的w相端子相連；逆變開關(guān)電路3根據(jù)主動短路控制單元2的pwm信號指令驅(qū)動內(nèi)部的功率電子器件進行三相下橋臂q2，q4和q6的閉合或者斷開動作，或者進行三相上橋臂q1，q3和q5的閉合或者斷開動作，用以實現(xiàn)電機三相線的短路或者斷開操作；

所述永磁同步電機4為三相永磁同步電機，是被控對象，接受逆變開關(guān)電路3的控制；

所述位置傳感器5為旋轉(zhuǎn)變壓器或者絕對位置光電編碼器，其用于檢測電機轉(zhuǎn)子絕對位置；

所述三相電流傳感器6為基于霍爾效應(yīng)的非接觸式電流傳感器或基于利用串入相線中電阻產(chǎn)生電壓原理的接觸式電流傳感器，其用于檢測永磁同步電機4的三相電流，并將采集的電流信號輸出到clark和park變換單元8；

所述位置及轉(zhuǎn)速處理單元7根據(jù)位置傳感器5輸出信號計算轉(zhuǎn)子位置θ和電機機械轉(zhuǎn)速ω；

所述clark和park變換單元8用于將三相電流傳感器6檢測到的三相電流中任意兩相電流換算為直交軸電流和；

在主動短路過程中，主動短路控制單元2實時反饋短路轉(zhuǎn)矩避免產(chǎn)生不期望的加減速或者其他零部件損壞，也可以將短路轉(zhuǎn)矩曲線存儲在整車控制單元1中，整車控制單元1可以直接查表或者做前饋控制。

整車控制單元1可以采取定時向電機發(fā)送主動短路指令的方式避免永磁體磁鏈測量的不連續(xù)性，也可以在主動短路控制單元2中存儲多次測量數(shù)據(jù)，通過插值運算來估算永磁體磁鏈。

如圖2所示，本實施例中永磁同步電機永磁體磁鏈在線測量過程如下：

一種永磁同步電機永磁體磁鏈在線測量方法，包括以下步驟：

a、對系統(tǒng)上電進行初始化；

b、由主動短路控制單元2判斷主動短路指令是否為1；如是，執(zhí)行步驟c，否則返回步驟b；

c、接著判斷電機機械轉(zhuǎn)速是否超過拐點轉(zhuǎn)速g；如是，則執(zhí)行步驟d，否則返回步驟b；

d、由主動短路控制單元2發(fā)出主動短路控制指令，逆變開關(guān)電路3實施主動短路；

e、由位置傳感器5檢測電機轉(zhuǎn)子位置，三相電流傳感器6、檢測三相電流；由位置及轉(zhuǎn)速處理單元7計算轉(zhuǎn)子位置和電機機械轉(zhuǎn)速；由clark和park變換單元8計算直交軸電流；由交流相電流幅值計算單元91計算相電流幅值is；

f、由步驟e計算出的直交軸電流，輸入到交流相電流幅值計算單元91計算相電流幅值is；根據(jù)is對永磁體磁鏈查表獲得永磁體磁鏈數(shù)值；

g、判斷永磁體磁鏈低于設(shè)定值，如是，則執(zhí)行步驟h；如否，則，則執(zhí)行步驟i。

h、對永磁體退磁標志位置1，并發(fā)送到整車控制單元1，返回步驟b；

i、對永磁體退磁標志位置0，并發(fā)送到整車控制單元1，返回步驟b。

步驟f中，所述永磁體磁鏈表格為試驗法獲得，每個轉(zhuǎn)子溫度對應(yīng)一個永磁體磁鏈數(shù)值，在不同轉(zhuǎn)子溫度下，對永磁同步電機進行不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)短路試驗而獲得短路電流幅值與永磁體磁鏈的關(guān)系。試驗法測取永磁體磁鏈表格的方法是，首先將永磁同步電機置于環(huán)境倉中，將環(huán)境倉溫度設(shè)定到測定溫度，使永磁同步電機熱浸透；其次，通過主動短路控制單元控制逆變開關(guān)電路使永磁同步電機處于三相短路狀態(tài)；最后，用外部拖動裝置帶動電機由零轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速，測取全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的短路電流幅值，即可得到該溫度下的短路電流幅值與永磁體磁鏈關(guān)系。重新設(shè)定環(huán)境倉溫度到另一個設(shè)定溫度，重復上述過程，即可得到全溫度范圍內(nèi)的短路電流與永磁體磁鏈數(shù)值關(guān)系，形成以短路電流幅值為索引的永磁體磁鏈數(shù)值表格。步驟f中，所述永磁體磁鏈表格也可為仿真法獲得，是根據(jù)永磁同步電機有限元仿真模型獲得不同轉(zhuǎn)子溫度和轉(zhuǎn)速下，短路電流幅值與永磁體磁鏈的關(guān)系表。仿真法是利用仿真軟件如ansys或者jmag有限元仿真軟件進行仿真，首先設(shè)定永磁體磁鏈數(shù)值，然后軟件設(shè)定電機處于三相短路狀態(tài)，然后，設(shè)定仿真的轉(zhuǎn)速范圍從零轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速，記錄短路電流幅值；重新設(shè)定永磁體磁鏈數(shù)值，重復上述過程，即可得到不同永磁體磁鏈數(shù)值下的短路電流幅值，反向形成以以短路電流幅值為索引的永磁體磁鏈數(shù)值表格。

如圖3所示，所述永磁體磁鏈在線計算模塊9包括交流相電流幅值計算單元91和永磁體磁鏈查表模塊92；其中，所述交流相電流幅值計算單元91根據(jù)公式（10）計算交流相電流幅值，輸出給永磁體磁鏈查表模塊92；所述永磁體磁鏈查表模塊92用于根據(jù)交流相電流幅值查表獲得永磁體磁鏈值；

如圖4所示，為本實施例三相短路電流、短路轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，橫軸為電機機械轉(zhuǎn)速，縱軸為三相短路電流有效值和短路轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機的三相短路電流有效值在低轉(zhuǎn)速段隨著轉(zhuǎn)速增加而迅速上升，當轉(zhuǎn)速超過拐點轉(zhuǎn)速g后，其電流有效值基本不變。影響短路電流幅值的因素主要是永磁體磁鏈大小，與永磁體磁鏈數(shù)值成正比，與永磁體溫度成反比。圖中標出了-35℃，60℃和150℃三種轉(zhuǎn)子永磁體溫度下，三相短路電流有效值與電機機械轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系，在超過拐點轉(zhuǎn)速后，同一電機機械轉(zhuǎn)速與-35℃，60℃和150℃曲線的交點對應(yīng)3個相電流幅值，每個相電流對應(yīng)一個永磁體磁鏈數(shù)據(jù)，在最低溫度-35℃和最高溫度150℃情況下，短路電流有效值相差達65a，利用該特點可以有效檢測永磁體磁鏈數(shù)值；類似的，可以形成一個以相電流幅值為索引的永磁體磁鏈表格；在實際使用中并不限于使用3條曲線，曲線數(shù)量根據(jù)溫度范圍進行設(shè)定。永磁同步電機的三相短路轉(zhuǎn)矩為與電機機械轉(zhuǎn)速相反的阻力矩，因此，電機正向旋轉(zhuǎn)的情況下其短路轉(zhuǎn)矩為負值；隨著轉(zhuǎn)速升高，其短路轉(zhuǎn)矩絕對值先增加后減小，超過拐點轉(zhuǎn)速g后，逐漸趨于零。

以上，對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行了說明，但本發(fā)明并不限定于上述實施方式。