永磁同步电机的三种扭矩估算算法

前 言

主驱电机是电动汽车核心的部件之一，主要作用是产生驱动扭矩或制动扭矩，驱动车辆前进并进行动能回收。主驱电机系统一旦发生故障，可能导致车辆失控、高压泄露等严重后果，直接威胁车内乘客和车外行人的生命安全。因此，主驱电机的功能安全设计是电动汽车实现安全运行的重要一环。2023年11月27号，国标委发布了《GB/T 43254电动汽车用驱动电机系统功能安全要求及试验方法》，对主驱电机系统的功能安全要求和功能安全验证、确认方法进行了规定，从标准层面推动主驱电机系统的功能安全落地。

GB/T 43254-2023规定的主驱电机系统的安全目标

从标准中可以看到，扭矩安全是主驱电机系统功能安全的重要组成部分。扭矩安全需要监控主驱电机的实际输出扭矩，防止主驱电机非预期输出扭矩，以及输出扭矩过大或者反向等故障。在主驱电机系统的运行过程中，需要实时估算电机的实际输出扭矩，并比较其与请求扭矩之间的差值。因此，扭矩估算算法也成为主驱电机扭矩安全的重点。

目前常用的扭矩估算算法有三种，分别是：电流法、功率法和查表法。下面以永磁同步电机为例，分别介绍三种算法及其优缺点。

01电流法

电流法是采用定子电流估算永磁同步电机的输出扭矩，计算公式如式（1）所示。

te：估算扭矩

P0：电机极对数，电机参数

ψf：转子磁链，电机参数

Ld、Lq：定子d轴同步电感、q轴同步电感，电机参数

ids、iqs：定子d轴电流、定子q轴电流。变量，定子三相电流（IA、IB、IC）经过Clark变换和Park变换得到

优点：标定工作量小，需要的信号少，仅需要定子三相电流（IA、IB、IC）和旋变信号（用于计算转子磁链方向，进行Park变换）。

缺点：依赖于准确的电机参数，有时不容易得到。

式（1）计算的是电机产生的扭矩，如果需要得到电机输出轴上的扭矩，还需要考虑由于风阻、摩擦因素造成的摩擦损耗。

02功率法

功率法是采用定子三相电流、定子三相电压计算电机消耗的功率，再除以电机的机械转速得到电机的扭矩，计算公式如式（2）所示。

te：估算扭矩

UA、UB、UC：定子三相电压。变量，采用直流母线电压和三相占空比重构得到

IA、IB、IC：定子三相电流。变量，电流传感器采样

ωr：电机机械转速。变量，基于旋变信号计算得到

优点：标定工作量小，而且不依赖于电机参数。

缺点：需要的信号多，需要同时采样母线电压、三相电流、三相占空比、旋变信号。在低转速下，反电动势小，三相电压计算误差大，造成功率法扭矩估算精度下降。

UAIA+UBIB+UCIC计算的是电机的输出功率，如果要想得到电机输出轴上的扭矩，需要考虑电机本身的铁损、铜损和摩擦损耗。

03查表法

查表法是直接在测功机上标定定子d轴电流ids、q轴电流iqs和电机输出扭矩之间的对应关系，得到（ids、iqs）与输出扭矩之间的映射关系。在电机运行过程中，通过查表得到电机的输出扭矩。

te：估算扭矩

ids、iqs：定子d轴电流、定子q轴电流

优点：不依赖于电机参数。

缺点：标定工作量大，不同工况下，误差相对较大。

电流法、功率法、查表法三种扭矩估算算法，各有自身的优点和局限，也可以通过组合应用，提高扭矩估算的精度。在实际项目中，我们可以根据拥有的资源和条件进行选择，也可以在满足精度要求的基础上，选择成本低、工作量小的方法。功能安全开发的挑战就在于，在确保安全、满足需求的前提下，平衡好工程落地的难度和成本。