CN103052890B - 用于控制同步电机的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于控制同步电机的方法和设备，该同步电机具有定子、转子和设置在所述转子上的磁体。在同步电机的制造完成或维护保养之后（S1）首先设定在同步电机中处于主导的磁通量的标称值Ψ_nenn（S2）并且在控制装置中设置标志，所述标志说明尚没有执行校准（S3）。于是重复检验同步电机过去是否没有运行预先确定的持续时间（S4）。如果情况如此，着手于定子与转子之间的温度平衡，使得在定子上所测量的温度等于转子温度并且因此可以作为磁通量Ψ_kalib校准的基础（S5）。在控制装置中设置标志，其说明磁通量校准的执行。随后可以继续正常运行（S7），其中持续地检验：是否已经进行了通量校准（S8）。

Description

用于控制同步电机的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制同步电机的方法以及一种用于控制同步电机的相应设备。

背景技术

在用于混合动力和电动车辆的电驱动装置中目前频繁使用永磁同步电机。这种同步电机具有：转子，在转子中通常布置磁体，该磁体产生磁通量；以及带有定子绕组的定子。同步电机可以产生转矩，该转矩尤其与在机器中的磁通量和相电流有关。所产生的转矩可以确定车辆的加速特性或行驶特性并且因此是在行驶运行期间要确定的重要量。

转子中的磁体可以对温度比较敏感并且在可能已在车辆正常行驶运行中达到的温度下会受到持久损伤。为了避免这，相电流通常从达到临界磁体温度起受到限制。

由于转子通常是快速转动的部件，所以布置在其上的磁体的温度在大多数情况下可以以高开销直接测量。通常，在转子上不设置温度传感器。代替于此，磁体的温度通常根据所测量的定子温度来估计。在估计磁体温度时所基于的是，转子和永磁体大致具有与定子相同的温度。然而，该估计特别是在瞬态过程中通常有极大误差。

为了能够遵守距最大允许磁体温度足够高的安全距离，针对相电流的上述限制的温度阈值可以选择得比较低，以致于同步电机的最大功率不能被完全利用。

DE 10 2005 062 588描述了一种用于确定永磁电机的磁体温度的方法。在此，磁体温度可以通过测量电机的相电压和转速来确定。

为了计算转矩和为了计算转子温度，可能需要磁通量的精确知识。在已知的解决方案中，为此在制造同步电机之后或在同步电机和对于控制同步电机所需的脉冲逆变器的维护保养之后可以对磁通量进行一次校准。在这种校准中，可以产生特征曲线族，使得在同步电机的控制装置中可以存储该特征曲线族并且特征曲线组可以说明转子温度T与要测量的相电压U_ind之间的相关性和要测量的转速n。

在这样的校准和与此联系的特征曲线的生成之后以后可以通过测量相电压U_ind和转速n来推断转子温度T并且根据转子温度又可以确定与转子温度有关的磁通量。

为了校准磁通量，必须知晓布置在转子上的磁体的温度，以便可以使由于温度影响引起的误差最小化。然而，由于在同步电机中典型地没有温度传感器直接设置在转子上，而是仅仅一个温度传感器在定子上，所以传统上由定子温度推断出转子温度并且由此推断出磁体温度。在此所基于的是，只有当转子在同步电机运行时被显著加热时才发生热输入到转子中。此外所基于的是，当定子低于确定的温度阈值时，转子温度与定子温度相同。于是才执行磁通量的校准。

在此情况下不利会是，在可以执行校准之前，刚好必须低于与定子上所测量的温度有关的较低的温度阈值。尤其是在气候炎热的国家，这会成为问题。

发明内容

因此会追求尽可能可靠地与周围环境中处于主导的温度无关地尤其是即使周围环境温度较高时也可以执行同步电机的磁通量的校准，以便在其整个功率范围上都可以尽可能良好地激励同步电机。

这可以利用本发明中限定的用于控制同步电机的方法以及本发明中所限定的用于控制同步电机的设备来实现。在所述用于控制同步电机的方法中，该同步电机具有定子、转子和设置在所述转子上的磁体，基于在所述定子上测量的温度T来校准由所述磁体产生的磁通量Ψ_kalib，控制同步电机使得：基于经校准的磁通量Ψ_kalib产生所期望的转矩M，其中只有当所述同步电机没有运行至少预先确定的持续时间t_g时才执行所述校准，其中所述预先确定的持续时间t_g对应于在所述定子与所述转子之间的温度平衡所需的持续时间。

要控制的机器可以是永磁同步电机，其具有定子，转子和多个布置在转子上的优选为永磁体形式的磁体。同步电机在此例如利用脉冲逆变器来激励使得：基于由磁体产生的磁通量的所假定的或以前所确定的值产生所期望的同步电机的转矩。为了能够尽可能精确地对同步电机执行激励，由磁体产生的通量基于在定子上测量的温度来校准，一旦这在可靠性上是可行的。根据本发明，该校准只有当同步电机不运行至少预先确定的持续时间tg时才被执行。

换言之，磁通量的校准只有当例如从同步电机最后运行起所经过的停止时间t_a大于最小持续时间t_g（即t_a>t_g）时才被执行。关于这样的停止时间的信息在混合动力车辆中典型地始终可供使用并且通常由中央控制设备借助在车辆中设置的数据总线（其也称作控制器局域网络（Controller Area Network（CAN））经由CAN消息提供给在车辆控制设备网络中的其他控制设备。

只有当经过足够长的停止时间时，才执行磁通量的校准。

至少要达到的停止时间即同步电机从其最后运行起不再运行的预先确定的持续时间t_g在此可以对应于对定子与转子之间的温度平衡所需的持续时间。在该持续时间之后所基于的是，同步电机中的所有部件的温度已平衡并且转子温度因此等于定子温度。

有利的会是，在控制同步电机时记录是否曾已经执行校准。为此，可以在校准之前在同步电机的控制装置中设置标志（Merker），该标志说明了在控制同步电机时所基于的磁通量对应于标称值，也就是说，其尚未不与在同步电机中处于主导的可测量的磁关系（magnetischen Verhältnissen）对应。在校准之后，在同步电机的控制装置中可以设置标志，该标志说明了在控制同步电机时所基于的磁通量对应于经校准的通量值。基于所存储的标志，同步电机的控制装置可以识别出如何可以精确且可靠地确定转子温度的值。在可以执行校准之前，在这样的确定时可以仅仅基于标称值，使得温度确定会具有可能的高误差并且相应地在同步电机运行时必须采取预防措施。在后续的校准之后于是可以可靠地确定转子温度。因此，在这样的校准之后可以在同步电机的功率谱的较宽的范围上激励同步电机。

磁通量的校准可以与在同步电机中当前何种温度处于主导无关地被执行。在传统控制方法中，只有当在同步电机的定子上测量的温度在预先给定的最大值之下时才进行校准，而现在与同步电机中实际处于主导的温度无关地在任何情况下当同步电机停止足够长的时间并且因此可以基于在定子与转子之间的温度平衡时才执行对磁通量的校准。在校准时，于是即使在定子温度高时也可以基于转子或磁体处于与定子相同的温度并且可以可靠地测量该温度并且可以作为校准的基础。

校准进行需要在制造同步电机之后或在维护保养同步电机之后执行一次。在借助校准一次性地确定磁通量和转子温度的相关性的特征曲线或特征曲线族之后，在以后激励同步电机时使用其以实现可靠的高效运行。

应注意的是，本发明构思在此与用于控制同步电机的方法以及装置结合地以及参照设置有这种装置的车辆来描述。在此情况下对于本领域技术人员而言清楚的是，所描述的各特征可以以不同的方式组合以便也产生本发明的其他扩展方案。

附图说明

以下参照附图描述了本发明的实施形式。

图1示出了可以根据本发明的一个实施形式来控制的永磁同步电机的示意图。

图2示出了用于阐明根据本发明的一个实施形式的同步电机的控制过程的流程图。

具体实施方式

图1示出了具有脉冲逆变器（PWR）2的永磁同步电机1的示意图。PWR 2确定同步电机1的功率和运行方式并且被控制设备12相应地激励。由此，同步电机1可以选择性地以发动机运行方式或以发电机运行方式来运行。在发动机运行方式中，同步电机产生驱动转矩，其例如在车辆的加速阶段期间可以辅助内燃机。而在发电机运行方式中，机械能被转换成电能并且例如存储在诸如电池9或超级电容器8的储能器中。

在所示的图中，同步电机1三相地实施（相U、V、W）并且具有带有三个相3a-3c的定子3和带有多个永磁体11的转子13。相3a-3c的欧姆电阻用10a-10c表示。同步电机1的三个相U、V、W分别与脉冲逆变器2连接。已知地，PWR 2包括多个开关6a-6f，利用所述开关可以将各相U、V、W选择性地与中间回路电势Uz或参考电势（地）连接。此外，PWR 2包括多个续流二极管7a-7f，所述续流二极管分别与开关6a-6f之一并联连接。

为了确定设置在转子13上的永磁体11的温度，如以下还要更为详细地描述的那样，可以使用存储在控制设备12中的特征曲线或特征曲线族。特征曲线或特征曲线族可以在校准过程期间被确定。借助特征曲线或特征曲线族可以根据磁通量Ψ确定永磁体11的温度T，该磁通量又与同步电机1的转速n和感生电压U_ind有关。在此适用于：

T=f(Ψ)=f(n,U_ind)

同步电机的转速n可以借助转速传感器5来测量。在定子绕组3a-3c中感生的电压在该图中通过电压源4a-4c示意性地示出。作为感生电压U_ind例如可以测量在两个相例如U和V之间的电压或测量在相U、V之一与参考电势之间的电压。电压在理想情况下为正弦形并且优选在机器空转时被测量。在空转中，在此脉冲逆变器2的所有六个功率开关6a-6f关断。

电压信号U_ind或转速信号n在输入端上输送给控制设备12。借助存储在控制设备12中的算法并且基于特征曲线或特征曲线族来处理信号并且由此确定永磁体11的当前温度T。在超过预给定的温度阈值时，控制设备12产生用于脉冲逆变器2的输出信号A，利用该输出信号A来限制同步电机1的功率。

以下参照图2中所示的流程图描述了包括在此执行的校准在内的用于控制同步电机的方案。

在首次投入运行时，例如紧接着制造完成同步电机之后或在维护保养或维修同步电机（步骤S1）之后首先设置由永磁体11产生的磁通量的标称值Ψ_nenn（步骤S2）。利用预设置的磁通量的标称值Ψ_nenn原则上可以控制或调节同步电机。然而，标称值并不一定反映实际在同步电机中由永磁体11产生的磁通量，而是仅说明保守假定的值，其可以基于以前的经验或通过仿真或计算来确定。实际处于主导的磁通量在该时刻尚未精确地知悉。基于这样的标称值对转子永磁体11的温度和转矩的计算因此还会具有比较高的误差。

在例如可以实现为存储在控制设备12中的控制软件的控制装置中以合适的方式记录迄今是否尚未执行磁通量的校准。为此，可以设置相应标志，该标志说明在控制同步电机时所基于的磁通量仅对应于标称值Ψ_nenn（步骤S3）。

在同步电机的后续使用期间，重复检验同步电机当前运行与否。例如，当设置有同步电机的车辆当前未被使用也就是说停止和静止时，这由车辆的中央控制单元来识别并且通过CAN消息尤其提供给同步电机的控制设备12。控制装置现在检验同步电机不运行的停止时间t_a是否大于预先确定的持续时间t_g，即是否t_a＞t_g（步骤S4）。

如果情况如此，则执行磁通量的校准（步骤S5）。在此所基于的是，在同步电机内的温度由于从同步电机的停止起的持续时间长而会平衡，使得永磁体11的温度T对应于定子的温度。定子的温度可以借助设置在定子上的温度传感器来测量并且作为校准的基础，也就是说建立特征曲线或特征曲线族。在同步电机中处于主导的温度在此可以任意地高。所找出的磁通量Ψ_nenn利用所确定的转子温度来进行温度修正。

接着，在同步电机的控制装置中设置相应标志，该标志说明曾执行磁通量的校准使得在控制同步电机时所基于的磁通量对应于经校准的通量值Ψ_kalib（步骤S6）。

如果在步骤S4中所确定的停止时间不大于预确定的持续时间，即t_a≤t_g，则跳过步骤S5和S6。

在后续的正常运行期间，同步电机可以被控制为使得基于所基于的磁通量产生所期望的转矩（步骤S7）。根据磁通量曾校准与否，在此所基于的磁通量是标称值Ψ_nenn或是在校准期间所确定的经校准的磁通量Ψ_kalib。

在正常运行期间，重复检验是否曾执行磁通量的校准（步骤S8）。如果情况如此，正常运行不变地继续（步骤S7）。如果情况并非如此，则重新检查停止时间是否大于预先确定的持续时间（步骤S4）并且必要时执行磁通量的校准。

所描述的用于控制同步电机的方法或所描述的用于控制同步电机的设备能够实现同步电机的高效可靠的运行。即使在温度升高时也可以在宽的范围上利用同步电机的功率谱。即使在高温度情况下也可执行磁通量的校准。

本发明可以使用在所有永磁同步电机中，如其例如在混合动力或电动车辆的电驱动装置中所利用的那样。

Claims (4)

1.一种用于控制同步电机（1）的方法，该同步电机（1）具有定子（3）、转子（13）和设置在所述转子上的磁体（11），其中该方法具有：

基于在所述定子上测量的温度T来校准由所述磁体（11）产生的磁通量Ψ_kalib，

控制同步电机（1）使得：基于经校准的磁通量Ψ_kalib产生所期望的转矩M，

其特征在于，只有当所述同步电机（1）没有运行至少预先确定的持续时间t_g时才执行所述校准，

其中所述预先确定的持续时间t_g对应于在所述定子（3）与所述转子（13）之间的温度平衡所需的持续时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在校准之前在所述同步电机（1）的控制装置中设置说明在控制同步电机时所基于的磁通量对应于标称值Ψ_nenn的标志，并且其中在校准之后在同步电机的控制装置中设置说明在控制同步电机时所基于的磁通量对应于经校准的磁通量Ψ_kalib的标志。

3.根据权利要求1至2之一所述的方法，其中校准与在所述同步电机（1）中何种温度T当前处于主导地位无关地被执行。

4.根据权利要求1至2之一所述的方法，其中在所述同步电机（1）的制造完成或维护保养之后执行所述校准仅仅一次。