主驅電機系統的扭矩估算方案

        主驅電機是電動(dòng)汽車(chē)核心的部件之一，主要作用是產(chǎn)生驅動(dòng)扭矩或制動(dòng)扭矩，驅動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)并進(jìn)行動(dòng)能回收。主驅電機系統一旦發(fā)生故障，可能導致車(chē)輛失控、高壓泄露等嚴重后果，直接威脅車(chē)內乘客和車(chē)外行人的生命安全。因此，主驅電機的功能安全設計是電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現安全運行的重要一環(huán)。2023年11月27號，國標委發(fā)布了《GB/T 43254電動(dòng)汽車(chē)用驅動(dòng)電機系統功能安全要求及試驗方法》，對主驅電機系統的功能安全要求和功能安全驗證、確認方法進(jìn)行了規定，從標準層面推動(dòng)主驅電機系統的功能安全落地。

GB/T 43254-2023規定的主驅電機系統的安全目標

        從標準中可以看到，扭矩安全是主驅電機系統功能安全的重要組成部分。扭矩安全需要監控主驅電機的實(shí)際輸出扭矩，防止主驅電機非預期輸出扭矩，以及輸出扭矩過(guò)大或者反向等故障。在主驅電機系統的運行過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)估算電機的實(shí)際輸出扭矩，并比較其與請求扭矩之間的差值。因此，扭矩估算算法也成為主驅電機扭矩安全的重點(diǎn)。

        目前常用的扭矩估算算法有三種，分別是：電流法、功率法和查表法。下面以永磁同步電機為例，分別介紹三種算法及其優(yōu)缺點(diǎn)。

電流法

        電流法是采用定子電流估算永磁同步電機的輸出扭矩，計算公式如式（1）所示。

te：估算扭矩

P0：電機極對數，電機參數

ψf：轉子磁鏈，電機參數

Ld、Lq：定子d軸同步電感、q軸同步電感，電機參數

i^ds、i^qs：定子d軸電流、定子q軸電流。變量，定子三相電流（IA、IB、IC）經(jīng)過(guò)Clark變換和Park變換得到

優(yōu)點(diǎn)：標定工作量小，需要的信號少，僅需要定子三相電流（IA、IB、IC）和旋變信號（用于計算轉子磁鏈方向，進(jìn)行Park變換）。

缺點(diǎn)：依賴(lài)于準確的電機參數，有時(shí)不容易得到。

        式（1）計算的是電機產(chǎn)生的扭矩，如果需要得到電機輸出軸上的扭矩，還需要考慮由于風(fēng)阻、摩擦因素造成的摩擦損耗。

功率法

        功率法是采用定子三相電流、定子三相電壓計算電機消耗的功率，再除以電機的機械轉速得到電機的扭矩，計算公式如式（2）所示。 

te：估算扭矩

UA、UB、UC：定子三相電壓。變量，采用直流母線(xiàn)電壓和三相占空比重構得到

IA、IB、IC：定子三相電流。變量，電流傳感器采樣

ωr：電機機械轉速。變量，基于旋變信號計算得到

優(yōu)點(diǎn)：標定工作量小，而且不依賴(lài)于電機參數。

缺點(diǎn)：需要的信號多，需要同時(shí)采樣母線(xiàn)電壓、三相電流、三相占空比、旋變信號。在低轉速下，反電動(dòng)勢小，三相電壓計算誤差大，造成功率法扭矩估算精度下降。

        UAIA+UBIB+UCIC計算的是電機的輸出功率，如果要想得到電機輸出軸上的扭矩，需要考慮電機本身的鐵損、銅損和摩擦損耗。

查表法

        查表法是直接在測功機上標定定子d軸電流i^d_s、q軸電流i^q_s和電機輸出扭矩之間的對應關(guān)系，得到（i^d_s、i^q_s）與輸出扭矩之間的映射關(guān)系。在電機運行過(guò)程中，通過(guò)查表得到電機的輸出扭矩。 

te：估算扭矩

i^ds、i^qs：定子d軸電流、定子q軸電流

優(yōu)點(diǎn)：不依賴(lài)于電機參數。

缺點(diǎn)：標定工作量大，不同工況下，誤差相對較大。

        電流法、功率法、查表法三種扭矩估算算法，各有自身的優(yōu)點(diǎn)和局限，也可以通過(guò)組合應用，提高扭矩估算的精度。在實(shí)際項目中，我們可以根據擁有的資源和條件進(jìn)行選擇，也可以在滿(mǎn)足精度要求的基礎上，選擇成本低、工作量小的方法。功能安全開(kāi)發(fā)的挑戰就在于，在確保安全、滿(mǎn)足需求的前提下，平衡好工程落地的難度和成本。

了解更多：

        請致電 010-64840808轉6116或發(fā)郵件至market_dept@hirain.com（聯(lián)系時(shí)請說(shuō)明來(lái)自EEPW）