CN101589546A - 电动机控制装置、控制方法及控制程序 - Google Patents

电动机控制装置、控制方法及控制程序 Download PDF

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Abstract

定子线圈的温度由温度传感器(14)检测，并由定子线圈温度放大器(21)放大，向车辆控制部(23)发送。另外，对定子外周进行冷却的电动机冷却油(17)沿定子线圈(16)的末端线圈部对定子线圈(16)进行冷却。由于定子线圈(16)而升温的电动机冷却油的温度由温度传感器(15)检测，并经由电动机冷却油温度放大器(22)同样地向车辆控制部(23)发送。车辆控制部(23)以电动机冷却油温度及定子线圈温度为输入，基于电动机冷却油、定子线圈和转子磁体的热模型(温度、发热量、热阻的关系)推定转子磁体温度，并向电动机控制部(24)发送控制指示。

Description

电动机控制装置、控制方法及控制程序
技术领域
本发明涉及电动机控制装置、控制方法及控制程序，所述电动机控制装置使在具有永磁体的转子的同心圆状外侧配置有具有定子线圈的定子的电动机动作，包括：推定永磁体的温度的磁体温度推定单元、基于推定的磁体温度对电动机进行控制的控制单元。
背景技术
近年来，混合动力汽车、电动汽车及燃料电池汽车等受到注目，以超过现有的发动机驱动型汽车的动力性能为目标加入了各种改良。例如，在混合动力汽车中，为了提高能量效率、提高动力性能，进行了高电压化、电动机的驱动方式的改良等。
但是，若在高输出状态下连续长时间使用电动机，则由于定子及转子的温度超过界限温度而导致转子的永磁体去磁，存在之后电动机的转矩下降的问题。因此，为了抑制电动机内部的温度上升，除了提高电动机的冷却能力外，不超过界限温度的温度管理也很重要。
在准确地进行温度管理时，需要测定转子、定子的温度。一般，由于定子被固定在电动机壳上，通过在定子上设置热电偶能够容易地测定。但是，由于转子在定子内旋转，需要在转子的轴上设置滑环或旋转连接器(rotary connector)，经由这些滑环或旋转连接器取出设置在定子上的热电偶的信号，存在提高成本及电动机结构变得复杂的问题。
因此，日本国特开2005-73333号中公开了一种技术，存储预先测定的电动机的温度分布，由多个热敏电阻检测定子线圈的温度，比较检测出的多个温度和存储的电动机的温度分布，并推定磁传感器温度、轴承温度、转子磁体温度等。
另外，在日本国特开2000-23421号中公开了一种技术，使定子侧的油冷却系统和转子侧的油冷却系统分离，测定在转子油冷却系统中循环的冷却油的流量，并且测定转子油冷却系统中的转子冷却前的冷却油的流入温度和转子冷却后的冷却油的流出温度，基于冷却油的温度差推定转子磁体的温度。
发明内容
但是，在日本国特开2005-73333号和日本国特开2000-23421号中，没有找到转子磁体、定子线圈、冷却油之间的相互热关系，没有考虑对转子磁体产生热影响的定子线圈及冷却油与转子磁体温度之间存在怎样的关系即电动机整体的热影响。
另外，在日本国特开2000-23421号的技术中，根据电动机冷却油温度推定转子磁体温度，但随着为了提供高输出而使电动机的控制方法变得复杂，转子磁体自身的发热的影响变大，结果就是，用现有的推定方法很难以充分的精度进行预测。尤其在运转状态每时每刻变化的混合动力汽车的电动机中，仅依据电动机冷却油温度，会使转子磁体温度包含预定的误差。
为了解决这样的问题，本发明的目的在于为了使电动机成为小型且性能优良的电动机，提供一种电动机控制装置、方法及程序，该电动机控制装置具有：对组装入转子的永磁体的温度进行推定的磁体温度推定单元和基于推定的磁体温度控制电动机的控制单元。
为了实现上述目的，本发明的电动机控制装置，使在具有永磁体的转子的同心圆状外侧配置有具有定子线圈的定子的电动机进行动作，包括：推定永磁体的温度的磁体温度推定单元和基于推定的磁体温度对电动机进行控制的控制单元，其特征在于，在电动机上设置有：通过冷却液对定子外周进行冷却的冷却单元；检测冷却液的液温的液温检测单元；检测定子线圈的温度的线圈温度检测单元，磁体温度推定单元预先求出作为冷却液和定子线圈之间的热阻与定子线圈和永磁体之间的热阻之比的热阻比以及定子线圈与永磁体的发热比，在电动机运转时，基于定子线圈温度、冷却液的液温、发热比、热阻比并通过运算求出磁体温度。
另外，在本发明的电动机控制装置中，其特征在于：控制单元在PWM控制和矩形波控制之间进行切换而对电动机进行控制，磁体温度推定单元根据由PWM控制和矩形波控制而引起的发热比的变化进行运算。
另外，本发明的电动机控制方法，使在具有永磁体的转子的同心圆状外侧配置有具有定子线圈的定子的电动机进行动作，包括：检测伴随电动机的工作而发热的定子线圈的温度的线圈温度检测工序；检测对定子外周进行冷却的冷却液的液温的液温检测工序；推定发热的永磁体的温度的磁体温度推定工序；基于推定的磁体温度对电动机进行控制的控制工序，其特征在于：磁体温度推定工序预先求出作为冷却液和定子线圈之间的热阻与定子线圈和永磁体之间的热阻之比的热阻比以及定子线圈与永磁体的发热比，在电动机运转中，基于定子线圈温度、冷却液的液温、发热比、热阻比并通过运算求出磁体温度。
而且，在本发明的电动机控制方法中，其特征在于：控制工序在PWM控制和矩形波控制之间进行切换从而对电动机进行控制，磁体温度推定工序根据由PWM控制和矩形波控制而引起的发热比的变化进行运算。
另外，本发明的电动机控制程序，使在具有永磁体的转子的同心圆状外侧配置有具有定子线圈的定子的电动机进行动作，使计算机执行：检测伴随电动机的工作而发热的定子线圈的温度的线圈温度检测步骤；检测对定子外周进行冷却的冷却液的液温的液温检测步骤；推定发热的永磁体的温度的磁体温度推定步骤；和基于推定的磁体温度对电动机进行控制的控制步骤，其特征在于：磁体温度推定步骤预先求出作为冷却液和定子线圈之间的热阻与定子线圈和永磁体之间的热阻之比的热阻比以及定子线圈和永磁体的发热比，在电动机运转中，基于定子线圈温度、冷却液的液温、发热比、热阻比并通过运算求出磁体温度。
另外，在本发明的电动机控制程序中，控制步骤在PWM控制和矩形波控制之间进行切换从而对电动机进行控制，磁体温度推定步骤根据由PWM控制和矩形波控制而引起的发热比的变化进行运算。
使用本发明，由于基于多个参数运算转子磁体温度，因此具有能够推定精度较好的转子磁体温度的效果，能够适当地进行电动机控制。
而且，由于使用预先求出的发热比及热阻比和能够容易测定的部位的温度来算出转子磁体温度，因此具有不提高计算机的计算负荷而能够执行转子磁体温度的计算处理的效果。
附图说明
图1是表示对本实施方式的电动机进行控制的电动机控制装置的结构的结构图。
图2是说明本实施方式的电动机的热模型的说明图。
图3是本实施方式的电动机磁体温度的计算流程图。
图4是本实施方式的电动机磁体热去磁保护控制的流程图。
图5是本实施方式的定子线圈发热图(map)及转子磁体发热图(map)的示意图。
图6是本实施方式的转子磁体热去磁温度界限图(map)的示意图。
图7是通过实际测量得到的实验结果图及相关关系图。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施的方式(以下称为实施方式)。
在图1中示出了控制电动机10的电动机控制装置20的结构。电动机10包括：具有永磁体的转子12、设置在转子12上的旋转变压器(resolver)13、位于转子12的外侧且具有定子线圈16的定子11、检测定子线圈16的温度的温度传感器14。
控制电动机10的电动机控制装置20包括：定子线圈温度放大器(amplifier)21、电动机冷却油温度放大器(amplifier)22、车辆控制部23、电动机控制部24。而且，向电动机10供给电力的电力供给部30包括：电池33、对电池电压进行升压的升压转换器32、根据来自电动机控制部24的指令向电动机10供给电力的电动机变换器(inverter，逆变器)31。
定子线圈的温度通过温度传感器14检测，并通过定子线圈温度放大器21被放大，向车辆控制部23发送。另外，对定子外周进行冷却的电动机冷却油17沿定子线圈16的末端线圈(end coil)部(图中由虚线表示的路径)对定子线圈16进行冷却。由于定子线圈16而升温的电动机冷却油的温度通过温度传感器15检测，并经由电动机冷却油温度放大器22同样地向车辆控制部23发送。
以电动机冷却油温度及定子线圈温度为输入，车辆控制部23基于电动机冷却油、定子线圈16和转子磁体12的热模型(温度、发热量、热阻的关系)来推定转子磁体温度，并向电动机控制部24发送控制指示。
图2中示出了电动机的热模型。在电动机的热模型中，以温度由低到高的顺序配置电动机冷却油17、定子线圈16、转子磁体12，示出了各自的热阻(R1、R2)和温度差(ΔT1、ΔT2)。
以下，采用图2进行说明。首先，在式1中表示过渡状态下的定子线圈温度Tst的关系式。由于转子磁体12比定子线圈的发热量少(例如为1/10左右)，因此，可以忽略转子磁体12的发热量Qrt。
Tst＝Qst·R1{1-exp(-t/Mst/R1)}+Toil...(式1)
式中，Tst(℃)：定子线圈温度；
Qst(W)：定子线圈的发热量；
Mst(W/℃)：定子线圈的热传导容易度；
Toil(℃)：电动机冷却油的温度；
R1(℃/W)：定子线圈和电动机冷却油间的热阻。
然后，由于在恒定状态下t成为无限大，exp(-t/Mst/R1)变得小到能够被忽略，定子线圈温度Tst如式2所示那样被简化。
Tst＝Qst·R1+Toil...(式2)
将式2右边的Toil移到左边，得到作为定子线圈和电动机冷却油的温度差的式3。
Tst-Toil＝Qst·R1＝ΔT1...(式3)
式中，ΔT1(℃)：定子线圈和电动机冷却油的温度差。
接下来，将过渡状态下的转子磁体温度Trt的关系式表示在式4中。
Trt＝Qrt·R2{1-exp(-t/Mrt/R2)}+Tst...(式4)
式中，Trt(℃)：转子磁体温度；
Qrt(W)：转子磁体的发热量；
Mrt(W/℃)：转子磁体的热传导容易度；
R2(℃/W)：定子线圈和转子磁体的热阻。
由于在恒定状态下t变成无限大，因此exp(-t/Mrt/R2)变得小能够被忽略，转子磁体温度Trt如式5所示那样被简化。
Trt＝Qrt·R2+Tst...(式5)
将式5右边的Tst移到左边，则得到作为转子磁体和定子线圈的温度差的式6。
Trt-Tst＝Qrt·R2＝ΔT2...(式6)
式中，ΔT2(℃)：定子线圈和转子磁体的温度差。将式6除以式3能够得到ΔT2/ΔT1，为式7所表示的算式。
ΔT2/ΔT1＝Qrt/Qst·R2/R1...(式7)
而且，若使式7变形为求出转子磁体温度的算式，则能够得到式8。
Trt＝Tst+ΔT2＝Tst+Qrt/Qst·R2/R1·ΔTl
Trt＝Tst+Qrt/Qst·R2/R1·(Tst-Toil)...(式8)
这里，定子线圈温度Tst和电动机冷却油温度Toil通过实际测量求出，Qrt/Qst·R2/R1能够通过事先的测定求得，因此通过式8能够求出转子磁体温度。
图7示出了通过实际测量得到的实验结果。本实验是特别制作能够通过设置在电动机轴上的滑环测定转子磁体温度的实验车而进行的实验。在图7(E)中示出了定子线圈温度上升相对于电动机冷却油温度上升的比例关系，而且，在图7(F)中还示出了转子磁体温度上升相对于定子线圈温度上升的比例关系。由此，能够确认电动机冷却油温度上升和转子磁体温度上升之间具有预定的比例关系。
在图7(G)中，从本实施方式中的通过实际测量求出的Tst、Trt、Toil的温度求出ΔT2/ΔT1的值(图中○标记)，而且，Qrt/Qst*R2/R1通过运算求出，在图7(G)中绘出。另外，在图7(G)中，在4000rpm附近(若换算成时速则为例如约80km/h)增加的点，认为是由于PWM控制中的高频率噪声对转子磁体产生影响从而使发热量增加。根据该实验结果，在PWM控制和矩形波控制的拐点附近进行修正，由此R2/R1例如作为约3.5的定值能够通过实际测量计算得出。
接下来，为了说明图3的转子磁体温度计算中的处理流程，首先说明在本处理中使用的图(map)数据。在图5(A)中示出了定子线圈发热图、在图5(B)中示出了转子磁体发热图、在图6(C)中示出了转子磁体热去磁温度界限图。
图5(A)的定子线圈发热图中的等高线状的发热量为图5(B)所示的转子磁体发热图的大致10倍。另外，在图5(B)所示的转子磁体发热图中，以上述的PWM控制和矩形波控制的拐点为边界，呈现出不连续的发热特性。由此，在图6所示的转子磁体热去磁温度界限图中，从5,000rpm到10,000rpm的特性成为同样的不连续的发热特性。
在图6(C)所示的转子磁体热去磁温度界限图中，由随着电动机的驱动产生的弱磁场所引起的热去磁界限温度从160℃到210℃被划分成5个阶段，在由转速和转矩相组合的各种运转条件下，需要使转子磁体温度在热去磁界限温度以下来工作。
下面使用图3说明转子磁体温度的计算流程。为了算出转子磁体热去磁界限温度，首先算出转子磁体温度(步骤S1)，然后算出转子磁体热去磁界限温度(步骤S2)。在步骤S1中，图3所示的转子磁体温度计算41根据从外部指示的转矩指令值和由旋转变压器13检测出的转速测定值从图5所示的定子线圈发热图及转子磁体发热图参照发热量(Qst、Qrt)。而且，使用通过实验预先求出的R2/R1，由此代入上述式8中算出转子磁体温度。
接下来在步骤S2中，转子磁体热去磁界限温度计算42基于转矩指令值、转速测定值、在步骤S1中计算出的转子磁体温度、图6(C)所示的转子磁体热去磁温度界限图，能够读取预定的转矩和转速下的转子磁体热去磁界限温度。
例如，图6(C)所示的指令条件M1为转矩140Nm、转速从8000到12000rpm的加速指令。在输入该指令的情况下，输出相同转矩的转子磁体温度在从8000到9000rpm的过程中到达界限温度190℃，但在从9000到11000rpm的过程中变为界限温度180℃，在从11000到12000rpm的过程中下降到170℃。
这里，假设在转子磁体温度为190℃的情况下，指令条件M1被限制并如指令条件M2所示，在转速优先的情况下，修正为转矩下降到90Nm的指令条件。同样，在转矩优先的情况下，转速被限制到9000rpm。
图4中示出了转子磁体热去磁保护控制的处理(以下简称为保护控制)的流程。最初，从未图示的主处理开始保护控制，在步骤S10中计算转子磁体温度，在步骤S12中计算转子磁体热去磁界限温度。
若在步骤S14中由计算得到的转子磁体温度为由转速和转矩组合下的热去磁界限温度以下(“否”)，则执行通常的处理。如果在超过热去磁界限温度的情况下，为了执行“是”的处理，则转移到步骤S16。在步骤S16中计算不会去磁的容许转矩值。然后，在步骤S18中，通过将转矩指令值限制到容许转矩或限制转速来防止转子磁体温度的上升，返回到主处理。
如上所述，使用本实施方式，由于基于多个参数计算转子磁体温度，因此，能够推定精度较好的转子磁体温度，能够进行适当的电动机控制。另外，由于根据容易进行测定的部位的温度来计算转子磁体温度，因此能够不提高计算机的计算负荷而执行处理。而且，考虑到因电动机的控制方法的改变产生的转子磁体的发热并进行修正，因此，能够防止预想不到的转子磁体的发热。
此外，在本实施方式中对汽车用的电动机控制进行了说明，但是本实施方式不限于汽车用，当然还适于铁路车辆用、机器人用及产业设备一般的电动机。另外，为了容易地对本实施方式进行说明，使用了详细的数值，但是不限定于这些数值，可以根据电动机特性、控制条件等进行适当设定。

Claims (6)

1.一种电动机控制装置，该电动机控制装置使在具有永磁体的转子的同心圆状外侧配置有具有定子线圈的定子的电动机进行工作，包括：推定永磁体的温度的磁体温度推定单元、和基于所推定的磁体温度对电动机进行控制的控制单元，其特征在于：
在电动机上设置有：
通过冷却液对定子外周进行冷却的冷却单元；
检测冷却液的温度的液温检测单元；和
检测定子线圈的温度的线圈温度检测单元，
磁体温度推定单元，
预先求出作为冷却液和定子线圈之间的热阻与定子线圈和永磁体之间的热阻之比的热阻比、以及定子线圈与永磁体的发热比，
在电动机运转时，基于定子线圈温度、冷却液的温度、发热比和热阻比，通过运算求出磁体温度。
2.如权利要求1记载的电动机控制装置，其特征在于：
控制单元在PWM控制和矩形波控制之间进行切换而对电动机进行控制，
磁体温度推定单元根据由PWM控制和矩形波控制而引起的发热比的变化进行运算。
3.一种电动机控制方法，该电动机控制方法使在具有永磁体的转子的同心圆状外侧配置有具有定子线圈的定子的电动机进行工作，包括：检测伴随电动机的工作而发热的定子线圈的温度的线圈温度检测工序；检测对定子外周进行冷却的冷却液的温度的液温检测工序；推定发热的永磁体的温度的磁体温度推定工序；和基于所推定的磁体温度对电动机进行控制的控制工序，其特征在于：
磁体温度推定工序，
预先求出作为冷却液和定子线圈之间的热阻与定子线圈和永磁体之间的热阻之比的热阻比、以及定子线圈与永磁体的发热比，
在电动机运转中，基于定子线圈温度、冷却液的温度、发热比、热阻比，通过运算求出磁体温度。
4.如权利要求3记载的电动机控制方法，其特征在于：
控制工序在PWM控制和矩形波控制之间进行切换而对电动机进行控制，
磁体温度推定工序根据由PWM控制和矩形波控制而引起的发热比的变化进行运算。
5.一种电动机控制程序，该电动机控制程序使在具有永磁体的转子的同心圆状外侧配置有具有定子线圈的定子的电动机进行工作，使计算机执行：检测伴随电动机的工作而发热的定子线圈的温度的线圈温度检测步骤；检测对定子外周进行冷却的冷却液的温度的液温检测步骤；推定发热的永磁体的温度的磁体温度推定步骤；和基于所推定的磁体温度对电动机进行控制的控制步骤，其特征在于：
磁体温度推定步骤，
预先求出作为冷却液和定子线圈之间的热阻与定子线圈和永磁体之间的热阻之比的热阻比、以及定子线圈与永磁体的发热比，
在电动机运转中，基于定子线圈温度、冷却液的温度、发热比、热阻比，通过运算求出磁体温度。
6.如权利要求5记载的电动机控制程序，其特征在于：
控制步骤在PWM控制和矩形波控制之间进行切换而对电动机进行控制，
磁体温度推定步骤根据由PWM控制和矩形波控制而引起的发热比的变化进行运算。
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