ＤＲＩＶＥＳＹＳＴＥＭ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．３
２０１９Ｓｅｔｅｍｂｅｒ ｐ
（）１００６８２４４２０１９０３０２００７ 文章编号：－－－基于ＡＭＥＳｉｍ的电机扭矩在线估算动态模型研究
ＳｔｕｄｏｆＡｎＯｎ－ＬｉｎｅＴｏｒｕｅＥｓｔｉｍａｔｉｏｎＤｎａｍｉｃＭｏｄｅｌＵｓｉｎＡＭＥＳｉｍ ｙｑｙｇ
朱福堂 王洋洋 鲁 超
（比亚迪汽车工业有限公司产品规划及汽车新技术研究院，
）广东深圳５１８０００
Ｚｈｕ ＦｕｔａｎａｎＹａｎａｎｕ Ｃｈａｏｇ Ｗｇ ｇｙｇ Ｌ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＰｒｏｄｕｃｔＰｌａｎｎｉｎａｎｄ Ｎｅｗ ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏ ｆ ｇｇｙ，
ＢＹＤ ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＩｎｄｕｓｔｒＣｏｍａｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ， ｙ ｐｙ
，Ｇｕａｎｄｏｎ１８００Ｃｈｉｎａ）ｇｇ５
［摘要］新能源汽车中电机扭矩的精准控制，对电机的效率、整车能耗具有较大的影响，因此研究电机扭矩在线估算具有重要的意义。本文利用ＡＭＥ该动态Ｓｉｍ软件搭建了一种永磁同步电机扭矩在线估算仿真模型，可调子模型和自适应子模型组成，通过仿真验证可以得出该在线估算模型估算误差小、模型由参考子模型、
精度高。最后，将该电机扭矩在线估算模型集成于整车模型之中，通过整车动态仿真对比发现电机扭矩在精度较高。该电机扭矩在线估算动态模型为日后搭载于整车线估算结果与扭矩传感器测量结果相差较小，
系统的电机扭矩在线估算工程应用具有较强的指导意义。
［］ｒｅｃｉｓｅｒｅａｔＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍｏｔｏｒｔｏｒｕｅｉｎｎｅｗｅｎｅｒｖｅｈｉｃｌｅｓｈａｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｏｆ ｐｇｑｇｙｙ
，ｍｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｅｎｅｒｃｏｎｓｕｍｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｉｔｉｓｏｆｓｉｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｓｔｕｄｔｈｅｒｅａｔ ｇｙｐｇｙｇ ，ｔｈｅａｅｒｏｎｌｉｎｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｏｒｔｏｒｕｅ．ＩｎｔｈｉｓａｍｏｄｅｌｏｆｏｎｌｉｎｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｔｏｒｕｅｏｆＰＭＳＭｉｓ － － ｐｐｑｑ，ｉｎＡＭＥＳｉｍ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｏｓｅｄｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｕｂｏｄｅｌａｄｕｓｔａｂｌｅｓｕｂｏｄｅｌａｎｄａｄａｔｉｖｅｓｕｂｓｔｕｄｉｅｄ －ｍ －ｍ －ｐｊｐ，ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｒｏｕｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｔｃａｎｂｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｔａｔｉｃｍｏｄｅｌｈａｓｓｍａｌｌｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｅｒｒｏｒ ｇ
，ｈｉｈｏｎｌｉｎｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｔｏｒｕｅｉｓｉｎｔｅｒａｔｅｄｉｎｔｏｖｅｈｉｃｌｅｍｏｄｅｌａｎｄｉｔａｎｄｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅ － ｇｑｇｐｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｏｎｌｉｎｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍｏｔｏｒｔｏｒｕｅａｒｅｓｍａｌｌｂｔｈｅｄ － －ｑｙｙ ｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅｄｎａｍｉｃｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｈａｓａｓｔｒｏｎｓｉｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｕｉｄｉｎ ｙｇｇｇｇ ｔｈｅａｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｏｎｌｉｎｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｏｒｔｏｒｕｅｗｉｔｈｔｈｅｗｈｏｌｅｖｅｈｉｃｌｅｓｓｔｅｍｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ． － ｐｐｑｙ
电机扭矩在线估算 参考子模型 可调子模型 自适应子模型 关键词：
：ｅｗｏｒｄｓｏｎｌｉｎｅｔｏｒｕｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｕｂｏｄｅｌｄｕｓｔａｂｌｅｓｕｂｏｄｅｌｄａｔｉｖｅｓｕｂｏｄ Ｋ－ －ｍ ａ －ｍ ａ －ｍ－ｑｊｐｙ ｅｌ
ＴＭ３５１ 文献标识码：Ｂ 中图分类号：
］１３－动态响应快、效率高、调速范围宽等［优点已经高、
１ 引言
动力系统作为新能源汽车最重要的核心系统，其主要包括电机、电机控制器和减速器，驱动电机它将电能转化为机械能来驱动汽车行是其动力源，
驶。内置式永磁同步电机（以其功率密度ＩＰＭＳＭ）
成为新能源汽车主机厂的首选电机。电机扭矩的精准控制对于电机的效率、整车能耗具有较大影然而现有实车电机扭矩的估算是基于查表模响；
型，但电机在工作一段时间后电机内特性参数就会比如退磁现象及电机老化等，此时再通发生变化，
，作者简介：朱福堂（男，山东人，上海交通大学博士，现任比亚迪工业有限公司产品规划及汽车新技术研究院课题组长，主要研究领域１９８４－）
能量管理，建模仿真，测试分析，性能开发，参数匹配等包括电动汽车方案设计，
—２０—
朱福堂等：基于ＡＭＥＳｉｍ的电机扭矩在线估算动态模型研究
过查表估算电机扭矩就会造成较大误差，因此研究电机扭矩在线估算具有重要的理论意义和工程意义。
２ 电机扭矩在线估算建模
电机扭矩估算模型包括参数子模型、可调子模型和自适应子模型，如下图１所示，在自适应子模型估算出的电机内特性参数基础之上对电机扭矩进
行计算估计［
４－５］。图１ 电机扭矩在线估算框图
Ｆｉｇ．１ Ｍｏｔｏｒ ｔｏｒｑｕｅ ｏｎｌｉｎｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｄｉａｇ
ｒａｍ２．１ 参考子模型建模
参考子模型采用的是新能源汽车电机电控系统最常用控制算法，即最大转矩电流比控制（ＭＴ－ＰＡ）
。电机电控系统在整车上的主要功能为接收ＶＣＵ的转矩信号，通过一系列转换产生三相交流电使得电机端可以输出相应的转矩。最大转矩电流比控制可以保证电机输出所需扭矩的同时实现电
流最小，在ｉ［ｄｉ－ｑ坐标系下其轨迹如图２所示
６－７］
。图２ ｉｄｉ－ｑ坐标系下Ｉ
ＰＭＳＭ的ＭＴＰＡ曲线Ｆｉｇ．２ ＭＴＰＡ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ＩＰＭＳＭ ｉｎ ｉｄｉ－ｑｃ
ｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ２．１．１ 电机数学模型
忽略谐波、铁心饱和、三相电流完全对称及转子无阻尼绕组的前提下，ＰＭＳＭ的ｄ／ｑ轴坐标系下
的数学模型为［
８－１０］
：烄ｕｄ＝Ｒｉｓｄ－ｗｅＬｑｉｑ烅烆ｕｑ＝Ｒｉ（１）ｓｑ＋ｗｅＬｄｉｄ＋ｗｅψｆ式中，ｕｄ、ｕｑ为定子电压矢量的ｄ轴、ｑ轴分量，ｉｄ、ｉｑ为定子电流矢量的ｄ轴、ｑ轴分量，Ｒｓ为定子电阻，
φｒ为永磁体磁链，ｗｅ为电机电角速度，Ｌｄ、Ｌｑ为电机定子绕组ｄ、ｑ轴电感。
２．１．２ 参考子模型
最大转矩电流比控制是在给定转矩的情况下，通过最优的ｉｄ／ｉｑ使得定子电流最小。对于电动汽
车驱动系统而言，
逆变器的容量是一定的，采用最大转矩电流比控制，可以使逆变器所需输出电流较小，
逆变器功率等级相对较低。基于最大转矩电流比控制的参考子模型如图３所示。参考子模型主要由转矩控制环、电流控制环、Ｐａｒｋ变换器、反Ｐａｒｋ变换器、逆变器、电机、角速度传感器、电压传感器等组成。
图３ 参考子模型Ｆｉｇ
．３ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｕｂ－ｍｏｄｅｌ２．２ 估算模型建模
公式（２）为最常用的电机扭矩计算公式：Ｔｅ＝
３２ｎｐ［φｒｉｑ＋（Ｌｄ－Ｌｑ）ｉｄｉｑ］
（２） 由上式可知，若φｒ、Ｌｄ、Ｌｑ、ｉｄ、ｉｑ已知，
即可在线估算出电机扭矩。整车控制器内的电压／电流霍尔传感器，可以采集电压／电流信号，经过反Ｐａｒｋ坐标变换可以得到ｄ／ｑ轴电压／电流。本文研究时先假设永磁体磁链φｒ为固定值，在日后模型优化时再考虑永磁体磁链的变化。所以，估算模型需要估算出ｄ／ｑ轴电感。现有参数估算方法主要有：
模型参考自适应法、最小二乘法、卡尔曼滤波法和智能控制
算法［１１］
，本文采用模型参考自适应法对Ｌｄ／Ｌｑ电感
进行辨识，进而对电机扭矩估算。
将公式（１）转换成公式（３
），如下所示：ｄｉｄｄｔ＝－ａＲｓｉｄ＋ｗｒｉａｑｂ＋ａｕｄｄｉｑｄｔ＝－ｂＲｓｉｑ＋ｗｒｉｄｂａ＋ｂｕｑ－
ｃｗｒ（３
）式中：ａ＝１／Ｌｄ，ｂ＝１／Ｌｑ，ｃ＝φｒ／Ｌｑ。上式为参考模型，以ａ、ｂ、ｃ为待辨识量，
辨识结果为＾ａ、＾ｂ、ｃ＾，＾ｉｄ为ｉｄ的辨识量，ｉ＾ｑ为ｉｑ为辨识量，
则可调模型可变为［
１１－１２］
：ｄｉ ＾ｄｄｔ＝－＾ａＲｓｉ＾ｄ＋ｗｒｉ＾ａ＾ｑ＾ｕｂ＾＋ａｄ—２１—
朱福堂等：基于ＡＭＥＳｉｍ的电机扭矩在线估算动态模型研究
＾＾ｄｉｂ ｑ＾＾＾＾Ｒｓｉｉｂｕｃｗｒ＝－ｂ＋＾ｒｄｑ－ｗｑ－＾ｄｔａ（）４
则可写成误差状态方程：
两式相减可得：
ｄｅａｄ＾ａ＾ａＲｓ－ａＲｓ）ｉｅ＝（－ｄ－Ｒｓｄ＋ｗｒｂｄｔ（ｅ－ｗｅ＝Ａｐ［３］
，误差ｅ与公式（ｏｏｖ超稳性定理１７） 根据Ｐｐ
构建成不等式应满足如下条件：
（）＝０，ｔ１）η（
ｗｒ＾＾ａａ＾）ｅｉａ－ａｕｒｄｑ＋ｗｑ＋（＾ｂｂ））∫
０
１
Ｔ２
）ｖｗｄｔ≥－γｔ０（２≥０（）８
＾ｄｅｂｑ＾＾（）Ｒｓ－ｂＲｓｉｂＲｓｅ＝ｂ－ｒｑ－ｑ＋ｗ＾ｄｔａ（＾＾、＾定义ａｂ、ｃ 根据模型参考自适应律的普遍结构，
１４－１５］
：为比例积分形式［
＾＝ａ＾（，））Ｆ（ｖ，ｔｄｖ，ｔ０＋ａτ）τ＋Ｆ（
∫＾，））ｂ＝Ｆ（ｖ，ｔｄｖ，ｔｂ（０＋＾τ）τ＋Ｆ（
∫＾＝Ｆ（＾，）（）ｃｔｄｖ，ｔ０＋ｃτ）τ＋Ｆ（
∫ｖ，
０
１
２
ｔｗｒｂ＾ｂ＾－ｃ）ｉｅｂ－＾ｂ）ｕｃｗｄ＋ｗｒｄ＋（ｒｑ＋（ａａ（）５
ｂ烌ｅａ烄ｄ烌＋ｅＲｓ烆ｑ烎－ｂ烎ｔ０
３４
ｔ整理可得：
０
５６
（）９
ｅｄ烌ｄ烄＝
ｄｔｅｑ烄－ａＲｓｗｒ 进而可求各个参数的自适应律为：
＾＝ｋａｉｂ烆烎－ｗｒａ烆∫
０
ｔ＾）＾＾）＾ｄ＾（（）ｉｉｉｉ０τ＋ａｄ－ｄｉｄ＋（［ｑ－ｑｉｑ］＾）＾（）ｉｉｄｂ（０＝ｋτ＋＾ｉｄ－ｄｕｄ０
烄ａ＾Ｒｓ－ａＲｓ＾ｂｂｗ－ｗｒｒ＾ａ烆ａ＾ａ－ａ烄烆０
＾ｂｂ烌ｗｒ－ｗｒ＾烄ａｉａｄ烌＋ｉ烆ｑ烎＾ｂＲ－ｂＲｓｓ＾ｂ∫
＾）＾＝ｋ（＾（）ｃｉ－ｉｗｄ０τ＋ｃ∫
ｔｉ０
ｔｑｑｒ（）１０
烎０烌０ｕｄ烌烄烌（）烄６＋
＾＾（）ｕｗｃｃｂ－ｂ烆ｑ烎烆ｒ－烎烎＾＾、＾即可求出Ｌｄ和Ｌ进而可根据公式ｂ、ｃ 由ａｑ，
（）求出当前电机扭矩。２
２．３ 结果分析
根据前面的分析与研究，可以搭建电机扭矩在线估算模型，如图５所示。
图５中参考子模型是采用最大转矩电流比控制算法的电机电控系统，可调子模型和自适应模型实最后基于辨识出的电机参数现对电机参数的辨识，
计算电机扭矩，从而实现了对电机扭矩的估算。其电机电控系统包括电机和电控，电机是指永磁中，
同步电机，电控是指控制信号和逆变器，工作时电
令：
＾Ｂｗ＝Ａｉ＋ｕ＋ｃ＝
＾ｂｂ烌ｗｒ－ｗｒ＾烌＾ａ烄ｉａｄ＋
＾＾ｂｂｉｗｂＲｓ－＾ｂＲｓ烆ｑ烎－ｗｒｒ＾ａ烆ａ烎烄ａ＾Ｒｓ－ａＲｓ＾－ａａ烄烆０
０烌０ｕｄ烌烄烌烄＋
＾＾）ｕｗｃ－ｃｑ烎ｒ（ｂ－ｂ烆烆烎烎）（７
从而控通过信号控制逆变器六桥臂的开通和关断，实现对交流电幅值和频率的控制。
图４ 辨识原理图
ａｒａｍｅｔｅｒＦｉ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｇｇ
—２２—
朱福堂等：基于ＡＭＥＳｉｍ的电机扭矩在线估算动态模型研究
图５ 电机扭矩估算ＡＭＥＳｉｍ模型
Ｆｉ．５ ＡＭＥＳｉｍ ｍｏｄｅｌｆｏｒｍｏｔｏｒｔｏｒｕｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｇｑ
模型中所用的电机内特性参数具体数值如表１
所示。
表１ 电机参数
Ｔａｂｌｅ１ Ｍｏｔｏｒｔａｂｌｅａｒａｍｅｔｅｒｓ ｐ
名称直流电压极对数ｄ轴电感ｑ轴电感电阻永磁体磁链
数值２３０．９４３０．００１５７５０．００１９２５１ｅ０６－０．０７
单位Ｖ－ＨＨＯｈｍＷｂ
稳定后误差约为１％，误差较小、精误差约为７％，度较高。
从图７中可以看出ｑ轴电感估算误差在瞬态时
稳定后误差接近０，误差可以的最大值约为０．３％，忽略不计，精度较高。
从图８中可以看出电机扭矩估算误差在瞬态时的最大值约为１这是因为电机启动瞬间会经历一个７％，从电机输出扭矩与估算扭矩对比短暂的超调过程；
图中可以发现两者数值相差不大，但误差图中显示这是因为响应略有延迟导致，稳定后误误差较大，
差约为０％，稳态误差可以忽略。
从以上仿真实验中可以得出该电机扭矩估算精度较高。但电机启动瞬在线模型估算误差较小、
态误差略大，需要进一步提高扭矩估算响应速度以优化瞬态误差。
根据所搭建的电机扭矩估算模型及参数设置
进行仿真分析，其参数估算结果和扭矩估算结果如图６～图８所示：
从图６中可以看出估算的ｄ轴电感在瞬态时的
—２３—
朱福堂等：基于ＡＭＥＳｉｍ的电机扭矩在线估算动态模型研究
图６ Ｌｄ估算与误差图
Ｆｉｇ．６ Ｌｄｅ
ｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ ｄｉａｇｒａｍ图７ Ｌｑ估算与误差图
Ｆｉｇ．７ Ｌｑｅ
ｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ ｄｉａｇｒａｍ 整车动态仿真模型
将电机扭矩在线估算模型集成到一级整车动
—２４—
态模型，
如图９所示，模型主要包括整车模型、驾驶员模型、
电机电控模型、电池模型、减速器以及所搭建的电机扭矩在线估算动态模型。
图８ 电机输出扭矩与估算扭矩对比和误差图
ｉｇ．８ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｏｕｔｐｕｔ ｔｏｒｑ
ｕｅａｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｔｏｒｑ
ｕｅ图９ 整车动态模型Ｆｉｇ．９ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｙ
ｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ 利用所搭建的电机扭矩在线估算模型在ＮＥＤＣ工况下做模拟仿真，标准车速与车速仿真结果如图０所示，
电机扭矩估算结果与扭矩传感器测量结果如图１１所示。
从图１
０ＮＥＤＣ模型仿真车速和标准工况车速对比图中可以发现两车速追踪效果较好，误差可以忽略，
精度较高。从图１１电机扭矩估算结果与扭矩测量结果对
Ｆ１３朱福堂等：基于ＡＭＥＳｉｍ的电机扭矩在线估算动态模型研究
比图中可以发现电机估算扭矩与利用扭矩传感器测量的电机扭矩两者曲线追踪效果较好，精度较高、误差小。
图１０ ＮＥＤＣ标准工况车速与仿真车速对比
ｉｇ．１０ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＮＥＤＣ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｖｅ－ｌｏｃｉｔｙ
图１１ 电机扭矩估算结果与扭矩测量结果对比
ｉｇ．１１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｏｒｑ
ｕｅ ａｎｄ ｅｓｔｉ－ｍａｔｅｄ ｔｏｒｑ
ｕｅ 小结
本文搭建了一种电机扭矩在线估算模型，模型包括参考子模型、可调子模型、自适应子模型，其中参考子模型采用的是最大转矩电流比控制。在介绍电机扭矩在线估算模型搭建过程基础之上，利用ＡＭＥＳｉｍ软件进行了仿真验证，
得出在仿真开始的瞬态过程误差相对略大，稳定后误差很小，精度较高。最后将该电机扭矩在线估算模型集成于整车模型之中，通过ＮＥＤＣ工况整车动态仿真对比发现电机扭矩在线估算结果与扭矩传感器测量结果相差较小，精度较高。该电机扭矩在线估算动态模型对电机精准控制、策略优化和日后搭载于整车系统的电机扭矩在线估算工程应用具有较强的指导意义。
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ｓｉｓ ａｎｄ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｉｎ－ｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＳＭ ｉｎ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩｎｄｕｃｔａｎｃｅＭｏｄｅｌ．Ｈｅｆｅｉ：Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
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