永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法，考虑磁饱和影响和dq耦合影响，还考虑在测试过程中电机电阻和永磁体的温升对测试结果带来的影响，对永磁同步电机定子磁链矩阵进行测量。本发明测得的永磁同步电机定子磁链矩阵既考虑了磁饱和影响，又考虑了dq耦合影响，另外，本发明的测试方法还考虑了测试过程中电机绕组和永磁体温升的影响，并通过封脉冲测电机空载反电势的方法对测试结果进行了补偿，提高了测试结果的准确性和一致性。
1.永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法，其特征是测量永磁同步电机定子磁链矩阵，包括以下步骤：
2）为永磁同步电机设置对拖电机或测功机，通过对拖电机或测功机使永磁同步电机在设定的转速空载转动；
3）根据空载线电压计算永磁同步电机的空载反电势，并由空载反电势波形基波峰值计算电机永磁体磁链，确认电机没有被退磁，并以所述计算得到的永磁体磁链作为冷态永磁体磁链 ；
4）通过电流闭环矢量控制使被测永磁同步电机的dq轴电流id和iq为恒定值并达到稳态，根据电机散热条件运行一段时间，所述时间应小于热保护在当前电流下允许的运行时间，记录此过程中电机经过死区和管压降补偿的反馈电压ud和uq；
5）封脉冲停止PWM但保持被测电机旋转，测量并记录电机线电压，获得电机空载反电势波形，由空载反电势波形基波峰值计算此时的永磁体磁链，用冷态永磁体磁链减去当前计算的永磁体磁链，得到由温升造成的永磁体磁链下降值 ，根据永磁体剩磁温度系数计算永磁体热态平均温度；
7）根据稳态电压方程计算dq轴定子磁链，并在计算中补偿温度造成的永磁体磁链减小：这里，
R为估算的电机当前相电阻值，即步骤6）得到的电机热态电阻值，单位Ω，
8）返回步骤3），确认电机没有退磁，修改id和iq值，重复步骤4）-7），考虑到不同的dq轴电流电机的饱和程度不同，永磁体去磁情况也不同，根据电机过载能力将id和iq的测试范围设为[-3.5，3.5]*Irate，这里Irate为额定电流，修改id和iq值时步长设为0.35* Irate以保证正负均有10个点；据此重复测试不同dq轴电流得到对应的d轴和q轴定子磁链，最终构成d轴定子磁链矩阵 和q轴定子磁链矩阵 。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法，其特征是步骤8）中，测试不同id和iq值时，正值与负值的q轴电流产生的电机饱和程度相同，永磁体去磁情况相同，为了简化测试过程，q轴电流只测试正值部分。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法，其特征是步骤2）中，设定转速的原则为：不能太高以致使铁损和永磁体损耗不能忽略，也不能太低以致使电压测量精度降低。
4.权利要求1所述的永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法的应用，其特征是永磁同步电机采用基于电流闭环的矢量控制，通过定子磁链矩阵提取MTPA控制轨迹：
9）在d轴定子磁链矩阵中，id=0对应的向量为永磁体磁链向量，其相对的iq值的变化表明了q轴电流对永磁体磁链的影响，假定永磁体磁链不受d轴电流影响，或d轴电流对永磁体磁链的影响都归算到d轴电感中，则对所有id值，永磁体磁链向量相同，构成永磁体磁链矩阵 ，设永磁体磁链矩阵中的元素为 ，则对应的向量根据公式进行计算：其中，ld为d轴电感，lq为q轴电感，te为电磁转矩，求得dq电感矩阵Ld(id,iq)、Lq(id,iq)，以及电磁转矩矩阵Te(id,iq)，其中p为电机极对数；
10）对电磁转矩矩阵Te(id,iq)进行细化插值，对某一给定电磁转矩值，参考Te(id,iq)提取所有可能对应的id和iq电流组合，将电流幅值 最小的一组id和iq组合挑选出来，即为该电磁转矩下的MTPA电流向量；将电磁转矩矩阵中的最小转矩和最大转矩提取出来作为转矩给定范围，设定转矩步长，重复以上计算，得到每一个电磁转矩的MTPA电流向量，最终得到所有对应的最小 组合，即为MTPA控制轨迹。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法的应用，其特征是步骤
9）中，id=0对应的永磁体磁链向量为室温下的值，进一步用于在线估计永磁体温升。
永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明属于电机控制技术领域，涉及永磁同步电机定子磁链矩阵的测量，具体为一种永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法及其应用。
背景技术
[0002] 永磁同步电机具有高功率密度、低转动惯量、高效率等特点，在高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服装置中得到广泛应用。其中，内嵌式永磁电机因利用磁阻转矩，可进一步提高电机的过载能力，拓宽调速范围。为了充分利用电机材料和空间，在过载时电机往往设计在饱和运行点。而电机磁饱和和dq轴互感影响等非线性因素会严重影响控制系统性能。因此，提前标定出在不同dq电流下电机的定子磁链矩阵，并将其应用在电机的控制系统中是非常必要的。标定出的定子磁链矩阵可用于磁通观测器、提取最大转矩电流比MTPA控制轨迹和在线预测永磁体温升。
[0003] 目前的离线测量永磁同步电机定子磁链或电感的技术没有考虑磁饱和和dq互感的影响，也没有考虑q轴电流对永磁体磁链的影响，如CN103560736B；有的方案需要更改电机绕组的连接方式，或外加接地，增加了测试的复杂性，如CN103018577B、CN103647492B。除前述公开技术之外，其他已发表的定子磁链矩阵测量方法主要基于以下公式：
[0004]
[0005] 其中，
[0006] R，是电机电阻，
[0007] Ldd，是d轴定子磁链 在d轴产生的电感，
[0008] Ldq，是d轴定子磁链 在q轴产生的电感，
[0009] Lqq，是q轴定子磁链 在q轴产生的电感，
[0010] Lqd，是q轴定子磁链 在d轴产生的电感，
[0011] ，是转子位置。
[0012] 测试方法主要有两种。
[0013] 1、堵转法（Evaluation of saturation and cross-magnetization effects in interior permanent-magnet synchronous motor），将电机堵转，使i（d 或iq）为恒定值，扫描不同的iq(或id)值，此时 为0， （或 ）为0，通过反馈电压与电阻压降之差的积分得到定子磁链矩阵。这里的反馈电压已经被补偿了死区和管压降造成的电压差。这个方法的优点是操作简单，容易测得温升之后的电阻值。但缺点是，其假定永磁体磁链不受dq轴电流影响，测得的d轴定子磁链矩阵不包含永磁体磁链。另外，测试中温升造成的永磁体磁链改变也没有得到补偿。
[0014] 2、旋转法（Magnetic model self-identification for PM synchronous machine drives），使电机以某一转速转动，使i（d 或iq）为恒定值并达到稳态，扫描不同的iq(或id)值并达到稳态，此时 为恒定值， （或 ）为0。这个方法虽然尝试考虑电阻值在测试过程由温升带来的影响，但是其假定正负两个方向改变的恒定的dq轴电流对需要求解的dq定子磁链产生的影响是线性等值的，这会造成测量偏差。并且，在这个测试中，永磁体温升也没有得到补偿。
发明内容
[0015] 本发明要解决的问题是：现有的永磁同步电机定子磁链矩阵测量方法没有考虑磁饱和和dq互感的影响，或没有考虑dq轴电流对永磁体磁链的影响，或以理想或假定条件来进行测量，都会造成测量的偏差，并且现有测量方法均未考虑到永磁体温升对永磁体磁链矩阵的影响，测量值的精确度难以确保，进而也会影响到后续的电机控制。
[0016] 本发明的技术方案为：永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法，测量永磁同步电机定子磁链矩阵，包括以下步骤：
[0017] 1）测得室温 和电机的冷态直流电阻；
[0018] 2）为永磁同步电机设置对拖电机或测功机，通过对拖电机或测功机使永磁同步电机在设定的转速空载转动；
[0019] 3）根据空载线电压计算永磁同步电机的空载反电势，并由空载反电势波形基波峰值计算电机永磁体磁链，确认电机没有被退磁，并以所述计算得到的永磁体磁链作为冷态永磁体磁链 ；
[0020] 4）通过电流闭环矢量控制使被测永磁同步电机的dq轴电流id和iq为恒定值并达到稳态，根据电机散热条件运行一段时间，所述时间应小于热保护在当前电流下允许的运行时间，记录此过程中电机经过死区和管压降补偿的反馈电压ud和uq；
[0021] 5）封脉冲停止PWM但保持被测电机旋转，测量并记录电机线电压，获得电机空载反电势波形，由空载反电势波形基波峰值计算此时的永磁体磁链，用冷态永磁体磁链减去当前计算的永磁体磁链，得到由温升造成的永磁体磁链下降值 ，根据永磁体剩磁温度系数 计算永磁体热态平均温度；
[0022]
[0023] 6）以永磁体热态平均温度计算电机热态电阻值；
[0024] 7）根据稳态电压方程计算dq轴定子磁链，并在计算中补偿温度造成的永磁体磁链减小：
[0025]
[0026]
[0027] 这里，
[0028] 为d轴定子磁链，单位Wb，
[0029] 为q轴定子磁链，单位Wb，
[0030] R为估算的电机当前相电阻值，即步骤6）得到的电机热态电阻值，单位Ω，[0031] 为电机的电转速，单位rad/s；
[0032] 8）返回步骤3），确认电机没有退磁，修改id和iq值，重复步骤4）-7），考虑到不同的dq轴电流电机的饱和程度不同，永磁体去磁情况也不同，根据电机过载能力将id和iq的测试范围设为[-3.5，3.5]*Irate，这里Irate为额定电流，修改id和iq值时步长设为0.35*Irate以保证正负均有10个点；据此重复测试不同dq轴电流得到对应的d轴和q轴定子磁链，最终构成d轴定子磁链矩阵 和q轴定子磁链矩阵 。
[0033] 进一步的，本发明还提出了上述永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法的应用，永磁同步电机采用基于电流闭环的矢量控制，通过定子磁链矩阵提取MTPA控制轨迹：
[0034] 9）在d轴定子磁链矩阵中， id=0对应的向量为永磁体磁链向量，其相对的iq值的变化表明了q轴电流对永磁体磁链的影响，假定永磁体磁链不受d轴电流影响，或d轴电流对永磁体磁链的影响都归算到d轴电感中，则对所有id值，永磁体磁链向量相同，构成永磁体磁链矩阵 ，设永磁体磁链矩阵中的元素为 ，则对应的向量根据公式进行计算：
[0035]
[0036]
[0037]
[0038] 其中，ld为d轴电感，lq为q轴电感，te为电磁转矩，求得dq电感矩阵Ld(id,iq)、Lq(id,iq)，以及电磁转矩矩阵Te(id,iq)，其中p为电机极对数；
[0039] 10）对电磁转矩矩阵Te(id,iq)进行细化插值，对某一给定电磁转矩值，参考Te(id,iq)提取所有可能对应的id和iq电流组合，将电流幅值 最小的一组id和iq组合挑选出来，即为该电磁转矩下的MTPA电流向量；将电磁转矩矩阵中的最小转矩和最大转矩提取出来作为转矩给定范围，设定转矩步长，重复以上计算，得到每一个电磁转矩的MTPA电流向量，最终得到所有对应的最小id和iq组合，即为MTPA控制轨迹。
[0040] 与现有技术相比，本发明测得的永磁同步电机定子磁链矩阵既考虑了磁饱和影响，又考虑了dq耦合影响，另外，本发明的测试方法还考虑了测试过程中电机绕组和永磁体温升的影响，并通过封脉冲测电机空载反电势的方法对测试结果进行了补偿，提高了测试结果的准确性和一致性，满足对永磁同步电机定子磁链矩阵测量的精确性要求。在此基础上，本发明根据测试结果，还提供了通过定子磁链矩阵提取MTPA控制轨迹的方法， MTPA控制是比较成熟的控制方法，在如何提取MTPA轨迹的方案上，现有技术多是通过扫描电流超前角得到最大输出转矩的方法得到的，没有考虑温度和定子绕组阻值的影响，本发明方法提出了一种新方法，在本发明测量定子磁链矩阵的基础上，再计算MTPA轨迹，是之前没有的，而由于本发明在测量定子磁链矩阵时已经考虑了温升，由此计算的MTPA轨迹也更加准确，定子磁链矩阵的准确性保证了MTPA控制轨迹的准确性。
附图说明
[0041] 图1为本发明永磁同步电机定子磁链矩阵提取方法及其应用的流程图。
[0042] 图2为本发明对应的永磁同步电机系统结构示意图。
[0043] 图3为本发明使用的控制方法示意图。
[0044] 图4 为从定子磁链矩阵提取MTPA控制轨迹的流程图。
[0045] 图5为本发明方法实施例计算得到的电磁转矩矩阵和MTPA轨迹示意图。
具体实施方式
[0046] 本发明提供了一种测量永磁同步电机定子磁链矩阵的方法，特别对于高饱和、dq耦合的内嵌永磁同步电机，并在此基础上提出了提取最大转矩电流比MTPA控制轨迹的方法，本发明不仅考虑了磁饱和影响和dq耦合影响，还考虑了在测试过程中电机电阻和永磁体的温升对测试结果带来的影响。
[0047] 如图 2所示，本发明所用测试系统包括被测永磁同步电机和位置编码器，电机控制器，电流、电压采样装置，测功机或对拖电机及其控制器。图2中采用了对拖电机，测功机也可取代对拖电机使被测电机按固定转速旋转。图中wm表示电机机械转速，Vab表示线对线电压测量，Ia表示A相电流，Ib表示B相电流。本发明所使用的电机控制方法为基于电流闭环的矢量控制，控制示意图如图 3。
[0048] 本发明提出的测试方法的流程如图1所示，具体如下：
[0049] 1）测得室温 和电机的冷态直流电阻；
[0050] 2）为永磁同步电机设置对拖电机或测功机，通过对拖电机或测功机使永磁同步电机在设定的转速空载转动；设定转速的原则为：不能太高以致使铁损和永磁体损耗不能忽略，也不能太低以致使电压测量精度降低，此为本领域技术人员的常规技术判断，不再详述。
[0051] 3）根据空载线电压计算永磁同步电机的空载反电势，并由空载反电势波形的基波峰值计算电机永磁体磁链，确认电机没有被退磁，并以所述计算得到的永磁体磁链作为冷态永磁体磁链 ，即如果在空载转动中电机没有被退磁，则记录计算的永磁体磁链；
[0052] 4）通过电流闭环矢量控制使被测永磁同步电机的dq轴电流id和iq为恒定值并达到稳态，根据电机散热条件运行一段时间，所述时间应小于热保护在当前电流下允许的运行时间，记录永磁同步电机的自带软件中经过死区和管压降补偿的反馈电压ud和uq；这里的软件指永磁同步电机本身自带的控制软件程序，为现有技术，也不再详述；
[0053] 5）封脉冲停止PWM但保持被测电机旋转，测量并记录电机线电压，获得电机空载反电势波形，由空载反电势波形基值计算此时的永磁体磁链，用冷态永磁体磁链减去当前计算的永磁体磁链，得到由温升造成的永磁体磁链下降值 ，根据永磁体剩磁温度系数计算永磁体热态平均温度，剩磁温度系数 为负值，单位是[%/K]：
[0054]
[0055] 6）以永磁体热态平均温度计算电机热态电阻值，对于内部热阻较小、热稳态时定子绕组到永磁体平均温度梯度较小的电机，可近似认为永磁体温度与电机电阻温度相等；对于内部热阻较大的电机，由于热态电阻值受温度影响较大，则需根据热网络或电机绕组内嵌的热电偶来估算电机绕组温度，这属于本领域人员的常规判断，可以通过有限元计算来了解温度梯度变化，也可以通过埋入温度传感器和红外测温枪等方法来判断。
[0056] 7）根据稳态电压方程计算dq轴定子磁链，并在计算中补偿温度造成的永磁体磁链减小：
[0057]
[0058]
[0059] 这里，
[0060] 为d轴定子磁链，单位Wb，
[0061] 为q轴定子磁链，单位Wb，
[0062] R为估算的电机当前相电阻值，即步骤6）得到的电机热态电阻值，单位Ω，[0063] 为电机的电转速，单位rad/s；
[0064] 8）返回步骤3），确认电机没有退磁，修改id和iq值，重复步骤4）-7），考虑到不同的dq轴电流电机的饱和程度不同，永磁体去磁情况也不同，根据电机过载能力将id和iq的测试范围设为[-3.5，3.5]*Irate，这里Irate为额定电流，修改id和iq值时步长设为0.35*Irate以保证正负均有10个点；据此重复测试不同dq轴电流得到对应的d轴和q轴定子磁链，最终构成d轴定子磁链矩阵 和q轴定子磁链矩阵 。作为改进，测试不同id和iq值时，正值与负值的q轴电流产生的电机饱和程度相同，永磁体去磁情况相同，为了简化测试过程，q轴电流只测试正值部分。
[0065] 本发明在得到了定子磁链矩阵的基础上，进一步提出了一种通过定子磁链矩阵提取MTPA控制轨迹的方法，永磁同步电机采用基于电流闭环的矢量控制，通过定子磁链矩阵提取MTPA控制轨迹，如图4所示：
[0066] 9）在d轴定子磁链矩阵中，id=0对应的向量为永磁体磁链向量，其相对的iq值的变化表明了q轴电流对永磁体磁链的影响，假定永磁体磁链不受d轴电流影响，或d轴电流对永磁体磁链的影响都归算到d轴电感中，则对所有id值，永磁体磁链向量相同，构成永磁体磁链矩阵 ，设永磁体磁链矩阵中的元素为 ，则对应的向量根据公式进行计算：
[0067]
[0068]
[0069]
[0070] 其中，ld为d轴电感，lq为q轴电感，te为电磁转矩，求得dq电感矩阵Ld(id,iq)、Lq(id,iq)，以及电磁转矩矩阵Te(id,iq)，其中p为电机极对数；
[0071] 10）对电磁转矩矩阵Te(id,iq)进行细化插值，对某一给定电磁转矩值，参考Te(id,iq)提取所有可能对应的id和iq电流组合，将电流幅值 最小的一组id和iq组合挑选出来，即为该电磁转矩下的MTPA电流向量；将电磁转矩矩阵中的最小转矩和最大转矩提取出来作为转矩给定范围，设定转矩步长，重复以上计算，得到每一个电磁转矩的MTPA电流向量，最终得到所有对应的最小id和iq组合，即为MTPA控制轨迹。如图5所示。图5给出了一个例子，针对某一款内嵌永磁电机测得的dq轴定子磁链矩阵，并由定子磁链矩阵计算出了电磁转矩矩阵和MTPA轨迹。图5（a）显示了d轴定子磁链矩阵，图5（b）显示了q轴定子磁链矩阵，图5（c）为从定子磁链矩阵提取的MTPA控制轨迹。
[0072] 步骤9）中，id=0对应的永磁体磁链向量为室温下的值，可进一步用于在线估计永磁体温升，此为现有技术，可参考专利申请CN103888041A提到的方法，在id=0的情况下用于估计永磁体温度。
