CN103095205B - 用于估算感应电动机的转子时间常数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于估算感应电动机的转子时间常数的装置，所述装置是这样的：接收d轴电流命令值和q轴电流命令值从而输出q轴电压命令值、输出q轴电压估算值、输出转子时间常数的改变值，所述改变值是所述q轴电压命令值与所述q轴电压估算值之间的差值，并且将转子时间常数的所述改变值与转子时间常数相加，由此输出改变后的转子时间常数。

Description

用于估算感应电动机的转子时间常数的装置

技术领域

本公开涉及一种估算感应电动机的转子时间常数的技术，特别地涉及一种用于估算感应电动机的转子时间常数的装置。

背景技术

在此背景技术部分中公开的信息仅用于增强对本公开的一般背景的理解，而不应当作为承认或者任何形式的暗示该信息构成对于本领域技术人员来说已知的现有技术。

一般地，使用电动机作为动力源的车辆（如混合电动车辆（HEV）和电动车辆（EV））需要高水平的精确转矩控制。近来，因为由于稀土金属的价格增加使得永磁型电动机的价格增加，所以作为HEV和EV的驱动电动机的感应电动机受到关注。

通过使用逆变器（inverter）对交流电动电动机实施矢量控制的技术已经在工业领域中广泛地使用。

对感应电动机实施直接矢量控制或者间接矢量控制，并且一般地执行对电动机的参数变化有较小影响的间接矢量控制。

然而，在执行间接矢量控制的感应电动机中，由外部因素（特别是温度）的改变而引起的转子时间常数的变化对转矩产生有影响，并且如果转矩产生时的变化增加，那么由于外部因素而使加速性能、运行质量和驱动质量改变时就会出现问题。与此相关地，公开了这样一种技术：其中转子时间常数被实时地估算以使得转矩产生时的变化最小。

图1是图示出根据现有技术的用于估算感应电动机的转子时间常数的装置的构造图。

在类似上述的系统中，从转子参数获得的d轴电压可以是电流控制器110的输出可以是

尽管这两个值在理想情况下必须是相等的，但是如果转子时间常数τ_r由于诸如温度等因素而改变，则所计算出的转差速率与实际转差速率之间产生有差值从而使得电流控制器110的输出与所计算出的d轴输出不同。

使用差值获得转子时间常数的改变值Δτ_r，而用于控制的转子时间常数通过映射到（reflecting to）转子时间常数的初始值τ_r0而被校正。

如上所述，用于估算感应电动机的转子时间常数的常规装置估算该转子时间常数，由此使得所产生的转矩的改变值最小。

然而，在如上使用d轴电压的情况下，由于定子瞬态电感σL_s的值是小的，所以由于转子时间常数τ_r的变化而导致的实际电压变化也是小的。此外，当q轴电流被转矩命令改变时，轻载时的d轴电压的值是小的从而使得其不足以补偿转子时间常数τ_r的变化。

如从前述中注意到的是，在此所描述的系统的问题在于：该系统只有在负载达到预定的水平时才能应用，以致于需尝试使用d轴电压乘以速度或者乘以d轴电流的方法。

然而，尽管存在上述尝试，但是常规系统仍然存在这样的问题：在高速运行期间，d轴电压的值的变化不够大从而不能检测转子时间常数的变化，使得不易于将该方法应用到主要使用高速运行的EV/HEV驱动电动机。

发明内容

本部分提供了本公开的一般概要，而并非是其全部范围或其所有特征的完全公开。

本公开的示例性方案基本上至少解决了上述问题和/或缺点，并且提供了下面的优点。因此，本公开的方案提供了一种用于估算感应电动机的转子时间常数的装置，该感应电动机构造为通过较少受到周围环境或者操作条件的影响而总是产生预定水平的转矩。

然而，应当强调的是，本公开并不限于上面解释的特定公开。应当理解的是，这里没有提到的其它技术主题可以被本领域的技术人员所领会。

在本公开的一个总方案中，提供了一种用于估算转子时间常数的装置，所述装置包括：电流控制器，其接收d轴电流命令值和q轴电流命令值从而输出q轴电压命令值；估算器，其接收所述d轴电流命令值和所述q轴电流命令值从而输出q轴电压估算值；控制器，其输出转子时间常数的改变值，所述改变值是所述q轴电压命令值与所述q轴电压估算值之间的差值；以及加法器，其将转子时间常数的所述改变值与转子时间常数相加从而输出改变后的转子时间常数。

在一些示例性实施例中，所述电流控制器使用改变后的转子时间常数执行电流控制。

在一些示例性实施例中，所述估算器使用q轴电压等式以输出q轴电压估算值。

在一些示例性实施例中，所述控制器利用比例积分控制来输出所述转子时间常数的改变值。

在一些示例性实施例中，所述装置进一步包括第一选择器，其使用预定的第一参考表根据所述感应电动机的温度来选择所述转子时间常数。

在一些示例性实施例中，所述装置进一步包括第二选择器，其使用预定的第二参考表根据所述感应电动机的d轴电流来选择所述转子时间常数。

在一些示例性实施例中，所述装置进一步包括：第三选择器，其使用预定的第三参考表根据所述感应电动机的温度来选择所述转子时间常数；以及第四选择器，其使用预定的第四参考表根据所述感应电动机的所述d轴电流来选择所述转子时间常数。

在一些示例性实施例中，所述第一参考表和所述第三参考表使用由于转子电阻改变而导致的转子时间常数的改变来制备，而转子电阻改变根据所述感应电动机的定子的温度而改变。

在一些示例性实施例中，所述第二参考表和所述第四参考表使用由于电感而导致的转子时间常数的改变来制备，而所述电感根据所述d轴电流的值而改变。

在一些示例性实施例中，所述装置进一步包括组合器，在速度低于预定水平时所述组合器以预定比例通过将所述第一选择器、所述第二选择器和所述第四选择器中的任何一个的输出和所述加法器的输出相组合来输出最终的转子时间常数。

在一些示例性实施例中，在速度高于预定水平时所述组合器输出所述加法器的输出作为所述最终的转子时间常数。

根据本公开的示例性实施例的用于估算感应电动机的转子时间常数的装置所具有的有益效果在于：通过在低速段时使用参考表和通过在全速范围段执行温度补偿，在EV/HEV中能够总是保持相似的加速性能和驱动质量。

根据下面结合附图的公开了本发明的示例性实施例的详细描述，对于本领域的普通技术人员来说，本公开的其它示例性方案、优点和突出特征将变得更加显而易见。

需要理解的是，如这里使用的术语"车辆"或者"车辆的"或者其它类似的术语包括：机动车，通常诸如客运汽车（包括运动型多用途汽车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车）；船（包括各种小艇和船舶）；航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢燃料车辆以及其它替代性燃料车辆（例如，从除了石油之外的能源中获得的燃料）。正如这里所提到的，混合动力车辆是具有两种以上动力源的车辆，例如既以汽油作为动力又以电力作为动力的车辆。

本发明的上述和其它的特征将叙述如下。

附图说明

结合在附图中图示的本发明的特定示例性实施例，现在将详细描述本发明的以上和其它特征，附图仅以图示的方式在下文中给出，因此并不限制本发明，并且其中：

图1是图示出根据现有技术的用于估算感应电动机的转子时间常数的装置的构造图；

图2是图示出根据本公开的示例性实施例的根据转子温度估算转子时间常数的示意图；

图3是图示出根据本公开的示例性实施例的根据转子的d轴电流估算转子时间常数的示意图；

图4是图示出根据本公开的示例性实施例的根据转子温度以及转子的d轴电流估算转子时间常数的示意图；

图5是图示出以二维实现的图4的参考表的示意图；

图6是图示出根据本公开的第一示例性实施例的用于估算转子时间常数的装置的构造图；

图7A和图7B是图示出根据本公开的示例性实施例在电动机的定子温度分别为高和低的情况下，在应用最大转矩命令之后的d轴电压和q轴电压变化的测量结果曲线图；

图8A和图8B是图示出根据本公开的示例性实施例在电动机的定子温度为高的情况下，在分别应用低转矩命令和高转矩命令之后的d轴电压和q轴电压变化的测量结果曲线图；

图9是图示出根据本公开的第二示例性实施例的用于估算感应电动机的转子时间常数的装置的示意图；

图10是图示出通过图9的组合器执行组合的方法的示意图；以及

图11是图示出根据本公开的第三示例性实施例的用于估算感应电动机的转子时间常数的装置的示意图。

本公开的另外的优点、目的和特征将部分地在下文的说明中得到阐释，并且在对下文进行审查时，对于本领域的普通技术人员来说将部分地变得显而易见，或者可以从本公开的实践中得到了解。本公开的目的和其它优点可以通过在书面说明书和其权利要求以及附图中所特定指出的结构来实现和获得。

需要理解的是，本公开的上述一般性描述和下面的详细描述是示例性的和解释性的，并且意图提供对如要求保护的本公开的进一步解释。

具体实施方式

在描述本公开时，可以省略本领域公知的结构或过程的详细描述以避免因关于这种公知结构和功能的不必要细节而混淆本领域的普通技术人员对于本发明的理解。因此，说明书和权利要求书中所使用的特定术语或词语的意思不应当限于字面的或通常采用的意义，而应当可以根据用户或操作者的意图和习惯使用而进行解释或者不同。因此，特定术语或词语的定义应当基于整个说明书的内容而定。

词尾“模块”、“单元”和“部件”可以用于元件以便有助于本公开。重要的意思或功能可以不赋予该词尾本身，并且需要理解的是，“模块”、“单元”和“部件”可以一起使用或者互换使用。即，说明书中所描述的术语“器（-er）”、“件（-or）”、“部件”和“模块”意指用于处理至少一个功能和操作的单元并且能够通过硬件或软件以及其组合而实现。

如这里所使用的，“示例性”仅意味着是示例而不是最佳。也需要理解的是，为了简明和易于理解的目的，这里描述的特征、层和/或元件图示有相对于彼此的特定尺寸和/定位，并且实际的尺寸和/或定位可以基本上与所示出的不同。即，在附图中，为了清楚，可以放大或缩小层、区域和/或其它元件的大小和相对大小。在全文中相似的附图标记表示相似的元件，并且彼此相同的解释将被省略。

将要理解的是，尽管这里可以使用术语第一、第二等来描述多种元件，但是这些元件不受这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件相区分。例如，第一区域/层可以称作第二区域/层，并且相似地，第二区域/层可以称作第一区域/层而不偏离本公开的教导。

这里使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的并且并不意图限制一般的发明构思。正如这里所使用的，单数形式“一（a）”、“一（an）”和“这个”也意图包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。

在使用间接矢量控制来控制感应电动机的情况下，如果转子温度改变，则转子电阻R_r改变（这又改变了转子时间常数），并且由此引起的转差改变会影响转矩产生。

工业电动机一般用于控制速度的设备，尽管转矩控制的重要性相对较小，然而对于转矩控制被认为是重要的EV/HEV的感应电动机的控制来说，必须考虑温度的影响。

此外，在工业电动机驱动的情况下，在速度低于额定速度时d轴电流恒定，而在速度高于额定速度时d轴电流与速度成反比例减少。然而，在用于增加效率的MTPA(每安培最大转矩)驱动的情况下，因为电流根据转矩命令改变，所以励磁电感L_m改变，并且因为L_r＝L_m+L_lr，所以转子电感L_r也改变，由此转子时间常数也改变。因为这些改变具有非线性特性，所以使用如本公开中的参考表是有利的。

现在，将参照附图对本公开的示例性实施例进行详细的描述。

图2是图示出根据本公开的示例性实施例根据转子温度估算转子时间常数的示意图。

参照图2，根据本公开的估算转子时间常数是根据转子温度T_mot估算转子时间常数τ_r1。即，在读取转子温度T_mot之后，使用参考表A获取与转子温度相适应的转子时间常数τ_r1。

在图2中，转子温度T_mot被参考表A的输入端接收到。因为转子温度难以测量，所以在本公开中测量的是相对容易测量的电动机的定子温度。

参考表A通过使用转子时间常数来制备，转子时间常数因转子电阻的改变而改变，而转子电阻改变是根据转子温度而改变。

在非限定性的示例中，可以基于输入{20[℃]、40[℃]、60[℃]、80[℃]}的转子温度来制作{300[ms]、270[ms]、250[ms]、240[ms]}的参考表A，而表中不能获得的值通过上述值的线性插值而使用。

图3是图示出根据本公开的示例性实施例的根据转子的d轴电流估算转子时间常数的示意图，其中说明了一种根据转子的d轴电流的变化利用电感饱和现象提取转子时间常数τ_r2的方法。

转子时间常数τ_r与转子电感L_r成比例，在d轴电流的值增加的情况下，由于饱和现象转子电感L_r在其大小方面也发生改变。即，因为转子时间常数τ_r由于d轴电流而改变，所以可以使用参考表B来获得转子时间常数τ_r。

在图3中，将d轴电流用作参考表B的输入。参考表B是通过使用转子时间常数的改变来制备，转子时间常数的改变是基于根据d轴电流的值而改变的电感。在非限定性的示例中，基于输入{30[A]、60[A]、90[A]、120[A]}的d轴电流的值来制备{240[ms]、200[ms]、170[ms]、150[ms]}的参考表B，而表中不能获得的值通过上述值的线性插值而使用。

图4是图示出根据本公开的示例性实施例根据转子温度以及转子的d轴电流估算转子时间常数的示意图，其中使用参考表A和参考表B来估算转子时间常数。

在如图4所示的根据本公开的估算转子时间常数中，通过利用图2的参考表A而获得的转子时间常数τ_r1映射于图3的参考表B。利用这种类型的方法，能够获得由转子温度T_mot和d轴电流的值最终映射的转子时间常数τ_r0。

此时，如果图3的参考表B的{120[%]、100[%]、85[%]、75[%]}是采用百分比制作的，那么利用图2的参考表A获得100%的值，也能够使用参考表A和参考表B简单地实现本公开的估算。

图5是图示出以二维方式实现的图4的参考表的示意图，其中能够以与图4中的方法相同的方法来估算转子时间常数。

图6是图示出根据本公开的第一示例性实施例的用于估算转子时间常数的装置的结构图。

与使用d轴电压的常规估算装置不同，图6中的用于估算转子时间常数的装置是这样的：使用q轴电压来补偿转子时间常数τ_r从而获得补偿后的转子时间常数

参照图6，用于估算转子时间常数的装置包括电流控制器10、q轴电压估算器20、控制器30和加法器40。

电流控制器10利用d轴电流命令值和q轴电流命令值来获得q轴电压命令值对于本领域技术人员来说显而易见的是，使用电流控制器10获得电压命令值的方法是公知的，因此将不再提供对其详细的解释。

q轴电压估算器20接收d轴电流命令值和q轴电流命令值并且利用q轴电压等式来获得q轴电压估算值

控制器30获得q轴电压估算值与q轴电压命令值之间的差值。

q轴电压估算值是利用与特定温度相关的转子参数的值，并且尽管q轴电压估算值与转子温度无关，但是由于随温度而改变的转子参数，q轴电压命令值由于温度而改变。通过使这两个值之间的差值最小能够获得预定转矩。

为了使这两个值之间的差值最小，根据本公开的控制器30例如可以是PIC（比例积分控制器）。

控制器30的输入是q轴电压估算值与q轴电压命令值之间的差值，而控制器30的输出是转子时间常数的改变值Δτ。

加法器40是这样一种部件：使转子时间常数τ_r0与控制器30的输出相加从而输出改变后的转子时间常数控制器30的输出是转子时间常数的改变值Δτ。

如从上文注意到的是，如果输出了被用于估算转子时间常数的装置改变的转子时间常数并且根据改变后的转子时间常数由电流控制器10执行电流控制，那么能够改变q轴电压命令值

因此，控制器30使得转子时间常数改变直到改变后的q轴电压命令值等于q轴电压估算值，从而能够获得预定转矩。

从本公开的第一示例性实施例中可以注意到，与利用d轴电压估算转子时间常数的常规系统不同，具有比瞬态电感σL_s的值更大的值的定子电感L_s被用于使根据温度而定的电压差值显著。

此外，鉴于q轴电压等式所以所受到的更多影响来自d轴电流并且即使负载变得更小，d轴电流也保持预定的水平，从而使得根据本公开的装置更少受到负载的影响。

图7A和图7B是图示出根据本公开的示例性实施例在电动机的定子温度分别是高和低的情况下，在应用最大转矩命令之后的d轴电压和q轴电压的变化的测量结果曲线图。

参照图7A和图7B，能够注意到的是，在低速时d轴电压和q轴电压的变化是不显著的，在高速时根据温度而定的电压差值在q轴电压处更大，这意味着转子时间常数的变化对q轴电压输出具有更大的影响，并且在转子时间常数的温度补偿方面使用q轴电压更加有利。

图8A和图8B是图示出根据本公开的示例性实施例在电动机的定子温度是高的情况下，在分别应用低转矩命令和高转矩命令之后的d轴电压和q轴电压的变化的测量结果曲线图。

参照图8A和图8B，即使负载中存在变化，q轴电压也保持相对恒定的水平，使得与利用d轴电压的常规方法不同，在所有负载范围内都可以使用根据本公开的装置。此外，因为在根据本公开的估算装置中使用了电压，所以当速度变得更快时增强了准确性。

图9是图示出根据本公开的第二示例性实施例的用于估算感应电动机的转子时间常数的装置的示意图，其中图6的用于估算转子时间常数的装置与图2至图4的转子时间常数的估算相结合。因此，尽管图9示例出了图4的方法，但对本领域技术人员来说应当是显而易见的是，本公开并不限于此。

参照图9，用于估算转子时间常数的装置包括电流控制器10、q轴电压估算器20、控制器30、加法器40、第一参考表选择器50、第二参考表选择器60以及组合器70。

结合图6已经提供了电流控制器10、q轴电压估算器20、控制器30以及加法器40的操作，因此在下文中将不再作详细说明。

第一参考表选择器50利用如图2中的基于转子温度的参考表A来选择转子时间常数，并且第二参考表选择器60利用如图3中的基于电动机的d轴电流的参考表B来选择转子时间常数，其中由第二参考表选择器60输出的转子时间常数被输入至加法器40。

组合器70以预定的比例将第二参考表选择器60的输出τ_r0和加法器40的输出相组合从而输出用于控制的最终转子时间常数τ_r,_ctrl。组合器70所使用的组合类型可以基于电动机的特性而改变。

图10是图示出通过图9的组合器执行组合的方法的示意图。

参照图9，根据本公开的组合器70图示出这样一种方法：其中在速度低于特定速度ω_r，ref时进行线性组合，并且在速度大于特定速度ω_r，ref时加法器40的输出被认为是最终的输出。然而，本公开并不限于此。

采用上述方法，可以将相对于实际转子温度的转矩误差控制在5%以内。下面的表格示出了在速度分别在较低温度（30℃）和较高温度（80℃）时改变的情况下，在补偿之前和之后的转矩差，其中每个转矩误差的单位是%。

[表一]

图表中显而易见的是，转矩误差比补偿之前的转矩误差小得多。

图11是图示出根据本公开的第三示例性实施例的用于估算感应电动机的转子时间常数的装置的示意图，其中包括使用d轴电压的估算器1和使用q轴电压的估算器2。

使用d轴电压的估算器1具有与图1的估算装置的构造相同的构造，并且使用q轴电压的估算器2具有与图6的估算装置的构造相同的构造。

如前面说明的，使用d轴电压的估算器1在低速时主要有效，而使用q轴电压的估算器2在高速时主要有效，使得可以通过由组合器80组合两个估算器1和2的输出而增强温度补偿的性能。已经提供了图11中的组成元件的功能，因此将不会给出对其进一步的详细描述。

作为工业技术的根据现有技术的估算转子时间常数没有考虑到用于驱动EV/HEV的感应电动机的操作，EV/HEV以超出额定速度2至3倍的速度范围运行。对于主要用于高速运行的感应电动机来说，使用q轴电压相对于使用d轴电压是有利的。

本公开具有的工业实用性在于：在低速段时使用参考表从而补偿全部速度范围段的温度，由此在EV/HEV中能够总是保持相似的加速性能和驱动质量。

然而，根据本公开的上述用于估算感应电动机的转子时间常数的装置可以以许多不同的形式具体化，并且不应当被解释为限于这里所列出的实施例。因此，意图使得本公开的实施例可以覆盖本公开的修改和变型，只要它们落在附属权利要求以及它们的等同方案的范围内。

虽然已经公开了与多个实施例相关的特定特征或方案，但是如所期望的，这些特征或方案可以选择性地与其它实施例的一个以上其它特征和/或方案相结合。

Claims (9)

1.一种包括转子的感应电动机系统中的用于估算感应电动机的转子时间常数的装置，其构造为用于所述感应电动机的转矩控制，所述装置包括：

电流控制器，其接收d轴电流命令值和q轴电流命令值从而输出q轴电压命令值；

估算器，其接收所述d轴电流命令值和所述q轴电流命令值从而输出q轴电压估算值；

控制器，其输出转子时间常数的改变值，所述改变值是所述q轴电压命令值与所述q轴电压估算值之间的差值；

加法器，其将转子时间常数的所述改变值与转子时间常数相加从而输出改变后的转子时间常数；以及

第一选择器，其使用预定的第一参考表根据所述感应电动机的温度来选择所述转子时间常数。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电流控制器使用改变后的转子时间常数执行电流控制。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述估算器使用q轴电压等式以输出所述q轴电压估算值。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器为比例积分控制器。

5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括第二选择器，其使用预定的第二参考表根据所述感应电动机的d轴电流来选择所述转子时间常数。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一参考表使用由于转子电阻改变而导致的转子时间常数的改变来制备，而转子电阻改变根据所述感应电动机的定子的温度而改变。

7.根据权利要求5所述的装置，所述第二参考表使用由于电感而导致的转子时间常数的改变来制备，而所述电感根据所述d轴电流的值而改变。

8.根据权利要求5所述的装置，进一步包括组合器，在速度低于预定水平时所述组合器以预定比例通过将所述第一选择器和所述第二选择器中的任何一个的输出和所述加法器的输出相组合来输出最终的转子时间常数。

9.根据权利要求8所述的装置，其中在速度高于预定水平时所述组合器输出所述加法器的输出作为所述最终的转子时间常数。