用温度补偿控制电动机的方法和系统的制作方法
【专利摘要】温度估算模块(104)基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算与电动机(117)的转子相关联的磁体的温度变化，其中，所述基准磁通强度是在已知的环境温度下并针对所述电动机的预定的工作范围被确定的。温度估算模块(104)或系统(120)建立所估算的温度变化与电动机(117)的目标输出转矩的磁转矩分量之间的、符合所述预定的工作范围的关系。电流调整模块(107)或系统(120)根据所建立的关系调整用于所述电动机(117)的命令(例如，正交轴电流命令)，以补偿与所估算的温度变化相关联的轴转矩变化。
【专利说明】用温度补偿控制电动机的方法和系统
[0001]本发明根据35U.S.C.119(e)要求2011年2月23日提交的、名称为“METHOD ANDSYSTEM CONTROLLING AN ELECTRICAL MOTOR WITH TEMPERATURE COMPENSATION”的第 61 /445，650号美国临时申请的优先权。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种用温度补偿控制电动机的方法和系统。
【背景技术】
[0003]电动机可具有带永磁体的转子和定子，例如内置永磁体(IPM)电动机或IPM同步电动机。由于与转子相关的磁体中的温度变化，因此，内置永磁体(IPM)电动机或IPM同步电动机可能具有变化的磁场强度。依次地，如果磁场强度降低，电动机的输出转矩和运转效率倾向于降低。与定子壳体或定子绕组相反，特定的电动机不具有用于测量转子上的磁体的温度的温度传感器。此外，转子磁体温度相对于定子绕组温度或电动机的不同速度区域处的冷却剂温度可能具有被较差的限定的、不稳定或不一致的关系。因此，需要一种用温度补偿控制电动机的改进的方法和系统。
【发明内容】
[0004]根据一个实施例，公开了用于控制包括定子和带有相关联的转子磁体的转子的电动机的方法和系统。温度估算模块基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算与所述转子相关联的磁体的温度变化，其中，所述基准磁通强度是在已知的环境温度下并针对所述电动机的预定的工作范围被确定的。温度估算模块或所述系统建立所估算的温度变化与电动机的目标输出转矩的磁转矩分量之间的、符合所述预定的工作范围的关系。电流调整模块或数据处理系统根据所建立的关系调整用于所述电动机的命令(例如，正交轴电流命令或正交轴电流)，以补偿与所估算的温度变化相关联的轴转矩变化。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]图1是用于用可温度补偿控制电动机的系统的一个实施例的方块图。
[0006]图2是与图1 一致的电子数据处理系统的方块图。
[0007]图3是比图1更详细地示出了该系统的一部分的方块图。
[0008]图4是用于用温度补偿控制电动机的方法的第一实施例的流程图。
[0009]图5是用于用温度补偿控制电动机的方法的第二实施例的流程图。
[0010]图6是用于用温度补偿控制电动机的方法的第三实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0011]根据一个实施例，图1公开了用于控制电动机117 (例如，内永磁体(IPM)电动机)或其他交流电机的系统。在一个实施例中，除电动机117外，该系统可以被称为逆变器或电动机控制器。
[0012]该系统包括电子模块、软件模块,或以上二者。在一个实施例中，电动机控制器包括电子数据处理系统120，以支持一个或多个软件模块的软件指令的存储、处理或执行。电子数据处理系统120如图1中的虚线所示，并且在图2中被更详细地示出。
[0013]电子数据处理系统120被连接到逆变器电路188。逆变器电路188包括半导体驱动电路，该半导体驱动电路驱动或控制切换半导体(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他功率晶体管)以输出用于电动机117的控制信号。依次地，逆变器电路188被连接到电动机117。电动机117与传感器115(例如，位置传感器、分解器或编码器位置传感器)关联，传感器115与电动机轴126或转子相关联。例如，传感器115和电动机117被连接到数据处理系统120，以提供反馈数据(例如，诸如ia，ib，i。的电流反馈数据)、原始位置信号、以及其他可能的反馈数据或信号。例如，其他可能的反馈数据包括但不限于:绕组温度读数、逆变器电路188的半导体温度读数、三相电压数据、或电动机117的其他热学信息或性能信肩、O
[0014]在一个实施例中，转矩指令生成模块105被连接到d-q轴电流生成管理器109 (例如，d_q轴电流生成查找表)。d-q轴电流指的是可应用于矢量控制式交流电机(例如电动机117)中的直轴电流和正交轴电流。d-q轴电流生成管理器109的输出和电流调整模块107 (例如，d-q轴电流调整模块)的输出被提供给加法器119。依次地，加法器119的一个或多个输出(例如，直轴电流数据(i/)和正交轴电流数据(1:)被提供或连接至电流调整控制器111。
[0015]电流调整控制器111能够与脉冲宽度调制(PWM)生成模块112 (例如，空间矢量PWM生成模块)通信。电流调整控制器111接收相应的d-q轴电流指令(例如i/和i/)和实际d-q轴电流(例如id和g以及与d-q轴电压指令(例如v/和 < 指令)相对应的输出，用于输入至PWM生成模块112。
[0016]在一个实施例中，PWM生成模块112例如将直轴电压和正交轴电压数据从两相数据表示转化为三相数据表示(例如，三相电压表示，诸如va%VbmVc*)以用于电动机117的控制。PWM生成模块112的输出被连接到逆变器188。
[0017]逆变器电路188包括功率电子元件，如用于生成、修改和控制施加到电动机117的经脉冲宽度调制的信号或其他交流信号(例如，脉冲、方波、正弦波、或其他波形)的切换半导体。PWM生成模块112向逆变器电路188内的激励级(driver stage)提供输入。逆变器电路188的输出级提供经脉冲宽度调制的电压波形或其他电压信号，以用于电动机的控制。在一个实施例中，逆变器188由直流(DC)电压总线供电。
[0018]电动机117与估算电动机轴126的角位置、电动机轴126的速度或转速以及电动机轴126的旋转方向中的至少一个的传感器115(例如，分解器、编码器、速度传感器、或其他位置传感器或速度传感器)关联。传感器115可以被安装到电动机轴126上或与之成一体。传感器115的输出能够与主处理模块114(例如，位置和速度处理模块)通信。在一个实施例中，传感器115被连接到模数转换器(未示出)，所述模数转换器将模拟位置数据或速度数据分别转换为数字位置或速度数据。在其他实施例中，传感器115(例如，数字位置编码器)可提供电动机轴126或转子的位置数据或速度数据的数字数据输出。
[0019]主处理模块114的第一输出(例如，电动机117的位置数据和速度数据)被传输至相位变换器113(例如,三相变两相电流帕克变换(Park transformation)模块)，其中相位变换器113将各个测得的电流的三相数字表示转换为测得的电流的两相数字表示。主处理模块114的第二输出(例如，速度数据)被传输至计算模块110(例如，经调整的电压/速度比模块)。
[0020]感测电路124的输入被连接到电动机117的终端，以至少检测被测量的三相电流和直流电流(Dc)总线(例如，向逆变器电路188提供Dc功率的高压Dc总线)的电压电平。感测电路124的输出被连接到模数转换器122，以将感测电路124的输出数字化。依次地，模数转换器122的数字输出被连接到辅助处理模块116(例如，直流(Dc)总线和三相电流处理模块)。例如,感测电路124与电动机117相关联以用于测量三相电流(例如，施加到电动机117的绕组的电流，感应到所绕组中的反电动势，或以上二者)。
[0021]主处理模块114和辅助处理模块116的一些输出被提供给相位变换器113。例如，相位变换器113可应用帕克变换或其他转换等式(例如，对于本领域普通技术人员而言已知的适当的特定的转换等式)以基于来自辅助处理模块116的数字三相电流数据和来自传感器115的位置数据将测得的三相电流表示转换为二相电流表示。相位变换器113的输出被连接到电流调整控制器111。
[0022]主处理模块114和辅助处理模块116的其他输出可以被连接到计算模块110(例如，经调整的电压/速度比计算模块)的输入。例如，主处理模块114可提供速度数据(例如，电动机轴126的每分钟转数)，而辅助处理模块116可提供(例如，在车辆的直流(Dc)总线上)测得的直流电压电平。向逆变器电路188供电的DC总线上的直流电压电平可因为各种因素(包括但不限于:环境温度、电池状况、电池充电状态、电池电阻或电抗、燃料电池状态(如果可使用的话)、电动机负载状况、各自的电动机转矩和相应的运转速度、以及车辆电负载(例如，电驱动的空调压缩机))而波动或变化。计算模块110被作为媒介连接在辅助处理模块116和d-q轴电流发生管理器109之间。计算模块110的输出可调整或影响由d-q电流生成管理器109生成的电流指令，以补偿直流总线电压中的波动或变化及其他情况。
[0023]转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106、和终端电压反馈模块108被连接到d-q轴电流调整模块107或能够与d-q轴电流调整模块107通信。依次地，d-q轴电流调整模块107可与d-q轴电流生成管理器或加法器119通信。
[0024]转子磁体温度模块104估算或确定一个或多个转子永磁体的温度。在一个实施例中，转子磁体温度估算模块104可通过内部控制变量计算、位于定子上或者与定子热连通或者固定到电动机117的外壳上的一个或多个传感器估算转子磁体的温度。例如，转子磁体温度估算模块可估算或促进转子温度的确定或电流调整，该电流调整基于通过观察电动机117在环境或基准温度下的磁场强度或可利用的转矩中的变化估算出的温度与实际升高的工作温度之间的关系。
[0025]在一个替换实施例中，转子磁体温度估算模块104可被位于定子上、与定子热连通的或者固定到电动机117的外壳上的一个或多个传感器替代或可依据这些传感器估算转子磁体的温度。
[0026]在另一替换实施例中，转子磁体温度估算模块104可被安装在转子或磁体上的温度检测器(例如，热敏电阻或被连接到无线变送器的红外线感热器)替代，其中，所述检测器提供指示一个或多个磁体的温度的信号(例如，无线信号)。
[0027]在一个实施例中，所述方法或系统可以下述方式进行操作。转矩命令生成模块105通过车辆数据总线118接收输入控制数据信息，例如速度控制数据信息、电压控制数据信息、或转矩控制数据信息。转矩命令生成模块105将接收到的输入控制信息转化为转矩控制命令数据316。
[0028]d-q轴电流生成管理器109选择或确定与各个转矩控制命令数据和各个检测到的电动机轴126速度数据有关的直轴电流命令数据和正交轴电流命令数据。例如，d-q轴电流生成管理器109通过访问下述一个或多个项来选择或确定直轴电流命令、正交轴电流命令:(1)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的查找表、数据库或其他数据结构，(2)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的二次等式组或线性等式组，或(3)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的一组规则(例如“如果-则”(if-then)规则)。[0029]电动机117上的传感器115有利于从电动机轴126提供检测到的速度数据，其中，主处理模块114可将由传感器115提供的位置数据转化为速度数据。
[0030]电流调整模块107 (例如，d-q轴电流调整模块)提供电流调整数据以基于来自转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106、和终端电压反馈模块108的输入数据调整直轴电流命令数据和正交轴电流命令数据。
[0031]电流成形模块106可基于以下一个或多个因素确定正交轴(q轴)电流命令和直轴(d轴)电流命令的校正或初步调整:例如，电动机117上的转矩载荷和电动机117的速度。转子磁体温度估算模块104可基于例如在已知的环境温度以及已知的操作条件下转子磁体的转子温度或磁场强度相对于特征化的转子温度或磁场强度的估算变化生成对于q轴电流命令和d轴电流命令的二次调整值。终端电压反馈模块108可基于控制器电压命令与电压极限的关系(versus)提供对于d轴电流命令和q轴电流命令的第三次调整。电流调整模块107可提供考虑了一个或多个下述调整的合并的电流调整:初步调整、二次调整和第三次调整。
[0032]在一个实施例中，电动机117可包括内置永磁体(IPM)电机或同步IPM电机(IPMSM)。相对于传统的感应电机或表面安装式PM电机(SMPM)而言，IPMSM具有许多优点，例如，高效率、高功率密度、宽的恒定功率工作区域、免维护。
[0033]如果电动机117包括IPMSM，则由两个分量(磁转矩和磁阻转矩)构成的输出转矩如下:
【权利要求】
1.一种用于控制电动机的方法，所述电动机包括定子和带有相关联的磁体的转子，所述方法包括下述步骤: 基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算与所述电动机的所述转子相关联的磁体的温度的变化，其中，所述基准磁通强度是在已知的环境温度下并针对所述电动机的预定的工作范围被确定的； 建立所估算的温度变化与所述电动机的目标输出转矩的磁转矩分量之间的、符合所述预定的工作范围的关系；以及 根据所建立的关系调整用于所述电动机的命令，以补偿与所估算的温度变化相关联的轴转矩变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工作磁通强度是从工作正交轴电压命令获得的，并且其中，所述基准磁通强度是从基准正交轴电压命令获得的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，建立所述关系的步骤包括确定作为所述基准磁通强度、直轴电流 命令、正交轴电流命令、直轴电感和正交轴电感的函数的所述目标输出转矩的所述磁转矩分量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，调整用于所述电动机的命令的步骤还包括调整正交轴电流命令。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，调整用于所述电动机的命令的步骤还包括响应于温度的增加而增加正交轴电流命令。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，调整用于所述电动机的命令的步骤还包括基于所估算的温度变化和所述目标输出转矩的磁转矩分量调整正交轴电流命令。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所估算的温度变化是根据下述等式确定的:
8.根据权利要求6所述的方法，其中，根据下列等式确定所述磁转矩分量:
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述关系是依据下面的等式被确定的:
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述命令是依据下述等式被确定的:
11.一种用于控制电动机的系统，其中，所述电动机包括定子和带有相关联的磁体的转子，所述系统包括: 数据处理器，该数据处理器基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算与所述转子相关联的磁体的温度变化，其中，所述基准磁通强度是在已知的环境温度下并针对所述电动机的预定的工作范围被确定的； 温度估算模块，该温度估算模块建立所估算的温度变化与所述电动机的目标输出转矩的磁转矩分量之间的、符合所述预定的工作范围的关系；和 电流调整模块，该电流调整模块根据所建立的关系调整用于所述电动机的命令，以补偿与所估算的温度变化相关联的轴转矩变化。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述数据处理器被设置成从工作正交轴电压命令获得所述工作磁通强度，并且其中，所述数据处理器被设置成从基准正交轴电压命令获得所述基准磁通强度。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述数据处理器适于执行所述温度估算模块的软件指令，以建立所述关系，其中所述关系包括作为所述基准磁通强度、直轴电流命令、正交轴电流命令、直轴电感和正交轴电感的函数的所述目标输出转矩的磁转矩分量。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述命令包括正交轴电流命令。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述命令包括响应于所述温度的增加而相应地增加正交轴电流命令。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述命令包括基于所估算的温度变化和所述目标输出转矩的磁转矩分量对正交轴电流命令做出的调整。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所估算的温度变化是由述数据处理器根据下述等式确定的:
18.根据权利要求6所述的系统，其中，所述磁转矩分量是由所述数据处理器根据下列等式确定的:
19.根据权利要求11所述的系统，其中，所述关系是由所述数据处理器依据下述等式确定的:
20.根据权利要求11所述的系统，其中，所述命令是由所述数据处理器依据下述等式确定的:
【文档编号】H02P7/00GK103931096SQ201280010251
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年2月20日 优先权日:2011年2月23日
【发明者】吴隆, 罗伯特·肖 申请人:迪尔公司