专利名称：电动马达定子绕组温度估计的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电动马达系统，且更具体地涉及用于估计电动马达中的定子绕 组的温度的方法和设备。
背景技术：
混合动力和电动车辆(HEV)通常包括由直流(DC)功率源(例如存储蓄电池)驱 动的交流(AC)电动马达。AC电动马达的定子绕组可以被联接到功率逆变器模块，功率逆变 器模块执行快速开关功能，以便将DC功率转换为AC功率以驱动AC电动马达，继而驱动HEV 传动系的轴。由于马达定子绕组的温度可用于各种目的，因而马达定子绕组的温度是重要 的参数。例如，定子绕组温度可以是各种马达控制算法中的重要参数，马达控制算法使用定 子电阻作为控制变量，因为定子绕组电阻是依赖于温度的且可以基于温度调节。定子绕组温度也可以用于检测高马达温度以防止过热。通常，定子绕组温度由温 度测量传感器测量，例如安置或安装在一个电动马达定子绕组中的热敏电阻或热电偶。如 果流入定子绕组的三相电流被平衡，单个温度测量传感器有时可用于充分地估计所有定子 绕组的温度。然而，在一些系统中，在温度传感器和定子绕组的热点之间可能有非常大的温 度梯度。在这种情况下，使用单个温度传感器来预测马达热点温度将变得困难。此外，在零 速时，没有电流会在安装传感器的一个定子绕组中流动，或者在某些速度下，不平衡的电流 可在一个定子绕组中流动。例如，在失速条件期间，一个相可携载等于正弦波电流峰值的电 流，而另外两个相携载电流的一半，符号相反。因而，与另外两个相相比，一个相可经历四倍 (4X)的电阻加热损失。在这些条件下，单个温度测量传感器将不正确地产生电动马达的实 际温度，因为电动马达可能会由于过热而被损坏。另一缺陷在于这种温度传感器可能是昂贵的、不可靠的且可能需要维护或维修。 每个传感器给系统增加了额外的成本，且在一些情况下需要在马达中采用多个传感器以识 别定子绕组的最热点。此外，传感器需要外部电信号调节电路，以处理传感器信号，这进一 步增加了系统的成本且可能进一步降低系统可靠性。此外，它们需要被维修和维护以确保 如预期那样操作。另外，当传感器发生故障时，它们必须被修理或更换，这可能是一种挑战， 因为传感器通常位于马达内，例如定子槽的中间。为了减少温度传感器的数量或甚至完全消除传感器的需要，也已经开发了无传感 器定子绕组温度估计技术。一些无传感器定子绕组温度估计技术采用基于电机几何形状及 其热和电属性计算的复杂马达热模型。虽然这些技术可以提供准确和鲁棒的温度估计，但 是需要开发复杂马达热模型。在许多情况下，关于马达几何形状和/或其热或电属性的信 息可能不容易获得。此外，高频载波信号注入技术也已经用于定子温度估计；然而，该技术假设定子和转子温度相同，这不总是如此。因而，当定子和转子温度偏离时，准确性下降。也已经开发出对于零或低速温度估计(例如，低于75rpm)工作良好的其它无传感 器定子绕组温度估计技术；然而，这些技术在较高马达速度下未得到准确的估计结果。因此，期望提供一种在整个马达操作速度范围(即，低操作速度和高操作速度)内 估计定子绕组温度的方法、系统和设备。也期望完全消除对任何定子绕组温度传感器的需 要。此外，期望提供在不使用联接到一个或多个定子绕组的温度传感器(例如，热敏电阻) 的情况下在所有马达操作速度(即，马达角速度)下都工作的估计定子绕组温度的方法、系 统和设备。另外，本发明的其它期望特征和特性将从随后的详细说明和所附权利要求结合 附图以及前述技术领域和背景技术显而易见。
发明内容
根据一个示例性实施例，提供一种可以在全部马达操作速度范围内估计定子绕组 温度的无传感器温度估计控制器和方法。当马达速度低于速度阈值(例如，75rpm)时，用于 每个定子绕组的第一组估计定子绕组温度可以基于第一组热阻抗模型来估计，所述第一组 热阻抗模型包括定子绕组功率损失。然而，当马达速度高于速度阈值时，用于每个定子绕组 的第二组估计定子绕组温度基于第二组热阻抗模型来估计，所述第二组热阻抗模型包括定 子绕组功率损失和芯功率损失。根据另一个实施例，提供用于控制矢量控制马达驱动系统的扭矩指令的系统和方 法。当检测马达速度大于预定速度时，每个定子绕组的定子绕组温度基于定子绕组和马达 冷却剂之间的总功率损失来估计。总功率损失包括定子绕组功率损失和芯/铁功率损失。 然后，响应于一个或多个定子绕组的估计定子绕组温度来降低/调节扭矩指令值，以保护 马达防止过热。为了估计每个定子绕组的定子绕组温度，每个定子绕组的定子绕组电阻基于该定 子绕组的温度来确定，且与交流(AC)平方根(RMS)定子电流一起使用以确定每个相中的定 子绕组功率损失。换句话说，每个相中的定子绕组功率损失可以基于每个相的定子绕组电 阻和表示每个定子绕组的定子电流的交流(AC)平方根(RMS)定子电流来确定。然后，马达的每个相的总功率损失可以基于该相的所述定子绕组功率损失和芯功 率损失来确定。为此，提供多个查询表。每个查询表对应于具体DC总线电压，且规定马达 速度和平方根(RMS)定子绕组电流的不同组合的芯功率损失的值。通过基于DC总线电压 输入从所述多个查询表选择两个查询表、将马达速度和定子绕组电流输入所选择查询表中 的第一个以计算第一芯功率损失值、将马达速度和定子绕组电流输入所选择查询表中的第 二个以计算第二芯功率损失值、以及基于DC总线电压、第一芯功率损失值和第二芯功率损 失值来执行线性内插值以计算芯功率损失，可以确定芯功率损失。每个相的热阻抗模型表征定子绕组和马达冷却剂之间的总功率损失。热阻抗模型 基于该相中的总功率损失和马达速度在该相的定子绕组温度和马达冷却剂温度之间产生 温度变化。每个定子绕组的定子绕组温度可以基于热阻抗模型、马达速度和马达冷却剂温度 来估计。方案1. 一种方法，包括以下步骤
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确定马达速度是否大于速度阈值；以及当马达速度大于速度阈值时，估计多个定子绕组中的每个的第一估计定子绕组温 度，其中，每个定子绕组的第一估计定子绕组温度基于该定子绕组和马达冷却剂之间 的组合热阻抗以及总功率损失来估计，其中，总功率损失包括定子绕组功率损失和芯功率 损失。方案2.根据方案1所述的方法，其中，当马达速度大于速度阈值时，估计多个定子 绕组中的每个的第一估计定子绕组温度的步骤包括以下步骤基于每个定子绕组的温度来确定该定子绕组的定子绕组电阻；基于每个相的所述定子绕组电阻和平方根(RMS)定子电流来确定该相的定子绕 组功率损失；基于马达的每个相的所述定子绕组功率损失和芯功率损失来确定该相的总功率 损失；基于每个相的总功率损失、马达速度和该相的组合热阻抗来产生该相的相温度变 化(ATan)；以及基于相温度变化(ATan)和马达冷却剂温度来估计每个定子绕组的定子绕组温度。方案3.根据方案2所述的方法，其中，所述组合热阻抗包括定子绕组和定子芯之 间的第一热阻抗、以及定子芯和马达冷却剂之间的第二热阻抗。方案4.根据方案3所述的方法，其中，所述芯功率损失根据马达速度、定子绕组电 流和dc总线电压而变，且其中，芯功率损失通过以下步骤确定提供多个查询表，其中，每个查询表对应于具体DC总线电压，且规定马达速度和 平方根(RMS)定子绕组电流的不同组合的芯功率损失的值；基于DC总线电压输入从所述多个查询表中选择两个查询表；将马达速度和定子绕组电流输入所选择的查询表中的第一个以计算第一芯功率 损失值；将马达速度和定子绕组电流输入所选择的查询表中的第二个以计算第二芯功率 损失值；以及基于DC总线电压、第一芯功率损失值和第二芯功率损失值来执行内插值以计算 芯功率损失。方案5.根据方案4所述的方法，其中，基于每个相的所述定子绕组电阻和平方根 (RMS)定子电流来确定每个相的定子绕组功率损失的步骤包括以下步骤确定表示每个定子绕组中的定子电流的交流(AC)平方根(RMS)定子电流；以及基于每个定子绕组的AC RMS定子电流和电阻来确定该定子绕组的定子绕组功率 损失。方案6.根据方案1所述的方法，还包括以下步骤响应于一个或多个定子绕组的第一估计定子绕组温度而降低扭矩指令。方案7.根据方案1所述的方法，还包括以下步骤当马达速度小于速度阈值时，估计所述多个定子绕组中的每个的第二估计定子绕组温度，其中，第二估计定子绕组温度基于定子绕组功率损失和第二热阻抗模型来估计，所 述第二热阻抗模型包括在定子绕组和热中性点之间的二阶热阻抗模型和在热中性点和马 达冷却剂之间的一阶热阻抗模型。方案8. —种控制矢量控制马达驱动系统的扭矩指令的方法，所述方法包括以下 步骤确定马达速度是否大于预定速度；当马达速度大于速度阈值时，基于总功率损失来估计多个定子绕组中的每个的定 子绕组温度，其中，总功率损失包括定子绕组功率损失和芯功率损失；以及响应于一个或多个定子绕组的估计定子绕组温度而降低扭矩指令。方案9. 一种方法，包括基于马达的每个定子绕组的温度和该定子绕组的电阻的温度系数来确定该定子 绕组的定子绕组电阻；基于该定子绕组的定子绕组电阻来确定每个相的定子绕组功率损失；基于每个相的所述定子绕组功率损失和芯功率损失来确定每个相的总功率损 失；基于所述总功率损失、马达速度、以及每个相的组合热阻抗模型来确定该相的相 温度变化；以及基于该相的所述相温度变化和马达冷却剂温度来估计每个定子绕组的定子绕组温度。方案10.根据方案9所述的方法，其中，所述组合热阻抗模型包括每个相的组合热 阻抗，其中每个相的所述组合热阻抗基于定子绕组和定子芯之间的第一热阻抗、以及定子 芯和马达冷却剂之间的第二热阻抗。方案11.根据方案9所述的方法，其中，每个相的所述芯功率损失基于马达速度、 定子绕组电流和DC总线电压来确定。方案12.根据方案11所述的方法，其中，每个相的所述芯功率损失通过以下步骤 确定提供多个查询表，其中，每个查询表对应于具体DC总线电压，且规定马达速度和 平方根(RMS)定子绕组电流的不同组合的芯功率损失的值；基于DC总线电压输入从所述多个查询表中选择两个查询表；将马达速度和定子绕组电流输入所选择的查询表中的第一个以计算第一芯功率 损失值；将马达速度和定子绕组电流输入所选择的查询表中的第二个以计算第二芯功率 损失值；以及基于DC总线电压、第一芯功率损失值和第二芯功率损失值来执行内插值以计算 芯功率损失。方案13.根据方案10所述的方法，其中，所述定子绕组功率损失基于该相的定子 绕组电阻和该相的平方根(RMS)定子电流来确定。
本发明在下文结合以下附图描述，其中，相同的附图标记表示相同的元件，且图1示出了根据本发明实施例的电动马达系统的框图；图2示出了根据本发明实施例的热阻抗模型的电路图表示；图3示出了根据本发明实施例的图1的电动马达系统的更详细视图；图4示出了根据本发明实施例的图3的电动马达系统的温度估计控制器的操作的 流程图；图5示出了根据本发明实施例的基于每个相的定子绕组功率损失和芯功率损失 来确定马达每个相的总功率损失的方法；和图6示出了根据本发明实施例的基于马达的每个相的总功率损失、马达速度(即， 转子角速度)和马达冷却剂温度来估计定子绕组温度的方法。
具体实施例方式如本文使用的，词语“示例性”指的是“用作示例、实例、或说明”。下述详细说明本 质上仅为示例性的且不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。本文描述为“示例性”的 任何实施例不必须解释为优于或好于其他实施例。该详细说明中描述的所有实施例是提供 用于使得本领域技术人员能够制造或使用本发明的示例性实施例，而不是限制本发明的范 围，本发明的范围由权利要求限定。此外，并不旨在受约束于前述技术领域、背景技术、发明 内容或下述详细说明中阐述的任何明示或暗示的理论。在详细描述根据本发明的实施例之前，应当看到的是，实施例主要在于涉及估计 电动马达定子绕组温度的方法步骤和设备部件的组合。应当理解的是，本文所述的本发明 实施例可以使用硬件、软件或其组合实施。本文所述的控制电路可包括各种部件、模块、电 路和可以使用模拟和/或数字电路、分立或集成模拟或数字电子电路的组合实施的其它逻 辑或其组合来实施。如本文使用的，术语“模块”指的是用于执行任务的装置、电路、电气部 件和/或基于软件的部件。在一些实施方式中，在实施这种电路中的控制逻辑的部分或全 部时，本文所述的控制电路可使用一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个微处理器 和/或一个或多个基于数字信号处理器(DSP)的电路实施。应当理解的是，本文所述的本发 明实施例可包括一个或多个常规处理器和控制所述一个或多个处理器以结合某些非处理 器电路来实施估计电动马达定子绕组温度的功能中的一些、大多数或全部的独特存储程序 指令，如本文所述。因而，这些功能可理解为估计电动马达定子绕组温度的方法的步骤。替 代地，一些或全部功能可以通过没有存储程序指令的状态机来实施，或者在一个或多个专 用集成电路(ASIC)中实施，其中，每个功能或者某些功能的一些组合实施为定制逻辑。当 然，可以使用两种方法的组合。因此，在本文中描述用于这些功能的方法和手段。此外，可 以预期，尽管本领域技术人员可能由例如可用时间、当前技术和经济考虑启发显著的努力 和许多设计选择，但是在本文公开的构思和原理的指导下，将在少量的试验的情况下能够 容易产生这种软件指令和程序以及IC。MM本发明的实施例涉及估计电动马达定子绕组温度的方法和设备。所公开的方法和 设备可以在需要估计电动马达定子绕组温度的操作环境中实施。在现在将描述的示例性实
8施方式中，控制技术和技术方案将描述为应用于作为混合动力/电动车辆(HEV)的一部分 的混合动力和电动车辆动力系统。图1示出了可以在混合动力/电动车辆(HEV)中实施的三相电动马达驱动系统 100架构的简化框图。在该实施例中，系统100可以通过调节控制三相AC马达110的电流 指令而用于经由被连接到三相AC马达110的三相脉宽调制(PWM)逆变器模块120控制三 相AC马达110。根据本发明实施例的电动马达系统100包括响应于来自于逆变器120的信号操作 的三相交流(AC)同步电机110。如本文使用的，术语“AC马达”指的是由交流(AC)驱动的 电动马达。AC马达包括具有线圈的外部固定定子、以及附连到输出轴的内部转子，线圈被 供应交流以产生旋转磁场，输出轴由旋转场给予扭矩。三相AC马达110可以是三相AC驱 动的“缠绕”马达(例如，永磁同步马达，具有缠绕成有限极的定子)、三相感应马达或同步 磁阻马达。在AC电机是永磁同步AC马达的实施方式中，这应当理解为包括内置永磁马达。 虽然未示出，但是马达110被联接到HEV的驱动轴。三相马达110包括转子(未示出)以及连接在马达端子A、B和C之间的三个定子 绕组115。如图1所示，三相AC马达110具有在中性点联接在一起的三个定子绕组115。三相PWM逆变器模块120包括电容器180和三个逆变器子模块。在该实施例中，一 个逆变器子模块115被联接到马达绕组115，另一个逆变器子模块被联接到马达绕组115， 另一个逆变器子模块被联接到马达绕组115。每个逆变器子模块包括双开关装置。每个 双开关装置包括以交替方式理想地操作的两个开关(例如，晶体管，如绝缘栅双极晶体管 (IGBT)或晶闸管)。例如，逆变器120包括电容器180、具有双开关122/125的第一逆变器 子模块、具有双开关123/126的第二逆变器子模块、以及具有双开关124/127的第三逆变器 子模块。因而，全波桥式逆变器120具有六个固态开关装置122、125、123、126、124、127和 与每个开关反向并联的六个二极管(未示出)，以合适地开关输入电压，且提供三相AC马达 110的定子绕组115的三相激励。三相PWM逆变器模块120经由高压DC总线被连接在DC功率源140(例如，蓄电池 或多个蓄电池或其它燃料电池)的直流(DC)总线135之间，且接收DC输入电压(Vde)。三 相PWM逆变器模块120包括多个逆变器极，所述逆变器极包括产生三相正弦电压(Va)的第 一逆变器极、产生第二三相正弦电压(Vb)的第二逆变器极、和产生第三三相正弦电压(Vc) 的第三逆变器极。三相AC马达110经由第一逆变器极、第二逆变器极和第三逆变器极联接 到三相PWM逆变器模块120。三相PWM逆变器模块120提供电动马达110的电气控制且基 于DC输入电压(Vde)产生以各种速度驱动三相AC马达110的交流(AC)波形(三相正弦电 压信号)。三相AC马达110基于三相正弦电压(Va)、第二三相正弦电压(Vb)和第三三相正 弦电压(Vc)产生交流(AC)波形。相电流(即，第一合成定子电流(Ia)、第二合成定子电流(Ib)和第三合成定子电流 (Ic))流经相应定子绕组115。进入马达绕组A 115的电流流出马达绕组B 115和C 115， 进入马达绕组B 115的电流流出马达绕组A 115和C 115，进入马达绕组C 115的电流流出 马达绕组Al 15和B 115。相-中性点电压跨过每个定子绕组115产生且反EMF电压通过转子随磁通一起旋 转而在相应定子绕组115中感应。在永磁马达的情况下，磁通由永磁体产生。
电流调节扭矩控制器150的输出是控制信号，所述控制信号提供给逆变器120的 每个晶体管122-127的栅极且用作晶体管122-127的操作控制信号。逆变器120响应于从 电流调节扭矩控制器150提供给其栅极的信号操作，以提供电压给马达110的每个相115， 每个晶体管对122/125、123/126和124/127形成逆变器120的相脚。控制器150可以从马 达110接收马达指令信号和马达操作信号，并产生控制信号，以控制逆变器子模块内的固 态开关装置122、125、123、126、124、127的开关。通过提供合适的控制信号给独立逆变器子 模块，闭环马达控制器控制逆变器子模块内的固态开关装置122、125、123、126、124、127的 开关，从而控制逆变器子模块分别提供给马达绕组115的输出。由三相PWM逆变器模块120 的逆变器子模块产生的第一合成定子电流(Ia)、第二合成定子电流(Ib)和第三合成定子电 流(I。)提供给马达绕组115。冷却剂155，例如马达油，环绕马达110且在其操作期间冷却马达110，温度信号发 生器156从冷却剂155内的热电偶确定冷却剂115的温度并提供线路260上的冷却剂155 的温度的数字信号表示。马达110也显示为配备有转子位置传感器160/165，提供表示转子相对于定子绕 组115的机械旋转角位置的输出转子位置信号θω。如本文使用的，术语“位置传感器”应 当广泛地理解且涉及产生角位置信息的任何常规位置传感器设备(包括物理位置传感器 装置)，或涉及物理位置传感器的虚拟软件实施方式，而且也涉及任何类型的绝对位置传感 器或旋转变送器。在图1所示的具体实施方式
中，位置传感器160/165是用于测量旋转度 数的一种旋转变压器，且设计成产生位置传感器输出(PSout) 190，包括理想地与在转子以 角速度围绕定子旋转时转子相对于马达定子的角位置和/或角速度相对应的输出角位置 信息(Θ》和/或角速度(ω》信息中的一个或多个。换句话说，当适当地操作时，位置传 感器160/165产生将理想地与转子的机械角(θ》和/或转子的角速度相对应的绝对角位置 信息和/或角速度信息。虽然未示出，但是一种常见类型的位置传感器160装置是解算器。在图1中，位置传感器160/165使用解算器160和解算器-数字转换器165实施， 但是通常可以是本领域已知的任何类型的位置传感器，包括霍尔效应传感器或本领域已知 的感测电机转子的角位置或角速度的任何其它类似感测装置或编码器(未示出)。解算 器160联接到马达110，用于测量转子位置和检测其马达速度(即，转子的角速度)。解算 器-数字转换器165将来自于解算器160的信号转换为数字信号且将AC同步电动马达110 的转子的角位置和检测速度的这些数字表示提供给电流调节扭矩控制器150。根据该实施例，温度估计控制器170包括依赖于温度的扭矩指令降低块172、高速 温度估计模块174、低速温度估计模块176和变换模块180。高速温度估计模块174从电流调节扭矩控制器150接收同步坐标电流Id，Iq且估 计定子绕组115的相温度(Ta，Tb, Tc) 175。估计温度175基于同步坐标电流Id，Iq、马达速 度190和线路260上提供的冷却剂155的温度产生。低速温度估计模块176接收所检测电 流值Ia, lb, Ic且响应于电流值Ia, Ib, Ic和线路260上提供的冷却剂155的温度来估计相 的绕组115的相温度(Ta, Tb, Tc) 177。来自于高速温度估计模块174和低速温度估计模块176的估计相温度(Ta，Tb, Tc) 175、177提供给变换模块180。变换模块180将估计相温度(Ta, Tb, Tc) 175和估计相温 度(Ta，Tb, Tc) 177提供给依赖于温度的扭矩指令降低块172的输入。变换模块180基于从解算器_数字转换器165提供的马达110的当前操作速度190 (角速度)而选择一组估计 相温度以提供给依赖于温度的扭矩指令降低块172。扭矩控制信号(扭矩指令T*) 171提供给依赖于温度的扭矩指令降低块172。依赖 于温度的扭矩指令降低块172响应于所选择组的相温度(Ta，Tb, Tc) 175、177而修正扭矩指 令171，以产生温度降低的扭矩控制信号173。电流调节扭矩控制器150从马达110的每个 定子绕组115接收电流信号(Ia，Ib, I。)，并且根据该实施例响应于从依赖于温度的扭矩指 令降低块172接收的温度降低的扭矩控制信号173而修正马达110的定子绕组115处的电 流，以产生提供给逆变器120的每个相脚122/125、123/126和124/127的操作控制信号。因此，操作控制信号将由温度降低的扭矩控制信号173表示的增益应用于施加到 晶体管122-127的栅极的指令信号/电压。因而，根据该实施例，每个定子绕组115处的 电流由电流调节扭矩控制器150接收并响应于温度降低的扭矩控制信号173修正，以提供 合适的增益给操作控制信号，同时在所有速度下将依赖于温度的扭矩降低集成到控制结构 中。估计每个定子绕组115的温度且将该温度与预定温度阈值进行比较可以防止定子绕组 的过热。图2示出了根据本发明实施例的热阻抗模型200的电路图表示。热阻抗模型200 可以用于根据本发明实施例的高速温度估计模块174以确定在马达以高速(即，大于75rpm 的转子角速度)操作时马达110的每个绕组115处的估计绕组温度Ta 205、Tb 225和Tc 245。图2所示的热模型基于以下给出的热方程(1)温度变化=热阻抗X总功率消耗 (1)例如，定子绕组A的温度(Ta)和马达冷却剂的温度(T。。。lant)之间的温度差(ATa) 等于该相的热阻抗(Rtha) 215和功率消耗(Pa) 210的乘积。热阻抗模型200在下文参考方程 (4)-(6)更充分地描述。当马达115的转子的角速度高于特定值(例如，75rpm)时，每个定子绕组115的估 计温度205、225、245可以基于该绕组115和马达冷却剂260的温度之间的热阻抗(Rth) 215、 235、255(其中，热阻抗215(Rtha)是第一绕组的温度Ta和马达冷却剂260的温度之间的热 阻抗，热阻抗235 (Rthb)是第二绕组的温度Tb和马达冷却剂260的温度之间的热阻抗，热阻 抗255 (Rthe)是第三绕组的温度T。和马达冷却剂260的温度之间的热阻抗)来计算。马达 冷却剂的温度具有由温度传感器测量的温度T。。。lant 260。由于定子绕组(或铜)损失和定子芯(或铁)损失引起的马达中的功率消耗可以 分别使用方程(2)和(3)表示。Pcu = Roci2x, Roc =( 2 )
Δ yy
turn cu其中，Rdc是DC电阻/相；ix是具体相χ中的定子电流，N。是串联线圈的数量；N是 每个线圈的匝数；lturn是一匝的长度；Aturn是一匝的面积；σ。 是铜的导电率。Piron= Ph+Pe=sh jr B+ee jr B2(3)
\Jn J\Jn J其中，Pi是芯/铁功率损失；Ph是由磁滞损失引起的功率消耗；Pe是由于涡流损 失引起的功率消耗；B和Bm是峰值磁通密度，α、％和、是具体芯材料的常数，f是马达的操作频率；fn是马达的基本名义频率。在低速(低于75rpm)时估计定子温度的技术在2008年1月24日提交且转让给 本发明的受让者的美国专利申请公布号2009/0189561A1中描述，该专利的全部内容作为 参考引入。在低马达操作速度(例如，低于75rpm)时，由于这些损失是依赖于速度(角速度) 的，因而芯损失(Piran)是可忽略的。角速度(ω)等于2Jif。当马达的操作频率(f)趋于零 时，方程⑵表示的芯损失(Piran)也趋于零。然而，在较高角速度(例如，高于75rpm)时， 操作频率(f)增加且芯/铁损失(Piran)变得明显。因而，在高操作速度(角速度)时需要 考虑这些芯/铁损失(Piran)，否则估计温度205、225、245将不准确。根据该实施例，在使用高速温度估计模块174时，在马达中产生的热考虑由于绕 组(或铜)损失和芯中的铁损失而产生的热。由于铜损失，在定子绕组中产生的热可以使 用定子电流和定子电阻计算，如在上文参考方程(2)所述。每个相中的热阻抗考虑(1)定子绕组和定子芯之间的热阻抗，和(2)定子芯和马 达冷却剂之间的热阻抗。例如，对于相a，热阻抗可以数学表示为Rtha = Rwca+Rcca ；其中，Rtha 是相a中的定子绕组和马达冷却剂之间的热阻抗，Rwca是定子绕组a和定子芯之间的热阻 抗，Rcca是定子芯和马达冷却剂之间的热阻抗。在高速时，绕组115的估计温度可以使用以下变量和方程(4)、(5)和(6)估计 (a)热阻抗 Rtha 215，(b)热阻抗 Rthb 235，(c)热阻抗 Rthe 255，方程(4)、(5)和(6)如下
权利要求
1.一种方法，包括以下步骤确定马达速度是否大于速度阈值；以及当马达速度大于速度阈值时，估计多个定子绕组中的每个的第一估计定子绕组温度， 其中，每个定子绕组的第一估计定子绕组温度基于该定子绕组和马达冷却剂之间的组 合热阻抗以及总功率损失来估计，其中，总功率损失包括定子绕组功率损失和芯功率损失。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当马达速度大于速度阈值时，估计多个定子绕组 中的每个的第一估计定子绕组温度的步骤包括以下步骤基于每个定子绕组的温度来确定该定子绕组的定子绕组电阻； 基于每个相的所述定子绕组电阻和平方根(RMS)定子电流来确定该相的定子绕组功 率损失；基于马达的每个相的所述定子绕组功率损失和芯功率损失来确定该相的总功率损失；基于每个相的总功率损失、马达速度和该相的组合热阻抗来产生该相的相温度变化 (ATan)；以及基于相温度变化(ATan)和马达冷却剂温度来估计每个定子绕组的定子绕组温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述组合热阻抗包括定子绕组和定子芯之间的 第一热阻抗、以及定子芯和马达冷却剂之间的第二热阻抗。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述芯功率损失根据马达速度、定子绕组电流和 dc总线电压而变，且其中，芯功率损失通过以下步骤确定提供多个查询表，其中，每个查询表对应于具体DC总线电压，且规定马达速度和平方 根(RMS)定子绕组电流的不同组合的芯功率损失的值；基于DC总线电压输入从所述多个查询表中选择两个查询表；将马达速度和定子绕组电流输入所选择的查询表中的第一个以计算第一芯功率损失值；将马达速度和定子绕组电流输入所选择的查询表中的第二个以计算第二芯功率损失 值；以及基于DC总线电压、第一芯功率损失值和第二芯功率损失值来执行内插值以计算芯功 率损失。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，基于每个相的所述定子绕组电阻和平方根(RMS) 定子电流来确定每个相的定子绕组功率损失的步骤包括以下步骤确定表示每个定子绕组中的定子电流的交流(AC)平方根(RMS)定子电流；以及 基于每个定子绕组的AC RMS定子电流和电阻来确定该定子绕组的定子绕组功率损失。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤响应于一个或多个定子绕组的第一估计定子绕组温度而降低扭矩指令。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤当马达速度小于速度阈值时，估计所述多个定子绕组中的每个的第二估计定子绕组温 度，其中，第二估计定子绕组温度基于定子绕组功率损失和第二热阻抗模型来估计，所述第 二热阻抗模型包括在定子绕组和热中性点之间的二阶热阻抗模型和在热中性点和马达冷 却剂之间的一阶热阻抗模型。
8.—种控制矢量控制马达驱动系统的扭矩指令的方法，所述方法包括以下步骤 确定马达速度是否大于预定速度；当马达速度大于速度阈值时，基于总功率损失来估计多个定子绕组中的每个的定子绕 组温度，其中，总功率损失包括定子绕组功率损失和芯功率损失；以及 响应于一个或多个定子绕组的估计定子绕组温度而降低扭矩指令。
9. 一种方法，包括基于马达的每个定子绕组的温度和该定子绕组的电阻的温度系数来确定该定子绕组 的定子绕组电阻；基于该定子绕组的定子绕组电阻来确定每个相的定子绕组功率损失； 基于每个相的所述定子绕组功率损失和芯功率损失来确定每个相的总功率损失； 基于所述总功率损失、马达速度、以及每个相的组合热阻抗模型来确定该相的相温度 变化；以及基于该相的所述相温度变化和马达冷却剂温度来估计每个定子绕组的定子绕组温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述组合热阻抗模型包括每个相的组合热阻 抗，其中每个相的所述组合热阻抗基于定子绕组和定子芯之间的第一热阻抗、以及定子芯 和马达冷却剂之间的第二热阻抗。
全文摘要
本发明涉及电动马达定子绕组温度估计。提供在全部马达操作速度范围内估计定子绕组温度的温度估计控制器和方法。在一个实施方式中，确定马达的角速度，连同所述马达的每个相的总功率损失。每个相的总功率损失包括定子绕组功率损失和芯功率损失。马达的每个相的定子绕组温度然后可以基于该相的总功率损失以及该相的组合热阻抗来估计。组合热阻抗包括定子绕组和定子芯之间的第一热阻抗、以及定子芯和马达冷却剂之间的第二热阻抗。
文档编号G01K7/16GK102004008SQ20101026936
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月31日 优先权日2009年8月31日
发明者C-C·叶, N·R·帕特尔, S·E·舒尔茨, Y·C·宋 申请人:通用汽车环球科技运作公司