CN104365011A - 旋转电机的控制装置和包括控制装置的旋转电机驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于具有定子线圈和转子磁体(24)的旋转电机(12)的控制装置(16)以及包括该控制装置的旋转电机驱动系统。所述控制装置包括：反电动势电压计算单元(62)，其计算在所述旋转电机(12)的工作期间在所述定子线圈中生成的反电动势电压；制冷剂温度获取单元(64)，其获取冷却所述旋转电机(12)的制冷剂的温度；特性校正单元(66)，其基于所计算的反电动势电压和所获取的制冷剂温度校正反电动势电压特性，所述反电动势电压特性限定所述转子磁体(24)的温度与所述反电动势电压之间的相互关系；以及温度推定单元(68)，其使用校正后的反电动势电压特性来推定所述转子磁体(24)的温度。
Description
技术领域
本发明涉及用于旋转电机的控制装置以及包括控制装置的旋转电机驱动系统，更具体地，涉及用于其转子被制冷剂冷却的旋转电机的改善的控制装置以及包括控制装置的旋转电机驱动系统。
背景技术
在具有由永磁体形成的转子磁体的旋转电机中，由于温度变化导致的转子磁体的退磁成为问题，因此需要检测转子磁体的温度。因此，可以设想利用温度传感器来直接测量转子磁体的温度；然而，转子被配置为是可旋转的，因此不可能将温度传感器直接安装在转子上。
作为一种推定转子磁体的温度的方法，例如，日本专利申请公开号2008-206340(JP 2008-206340 A)描述了基于旋转电机的制冷剂的温度来推定转子磁体的温度。此外，日本专利申请公开号2005-012914(JP2005-012914 A)描述了基于反电动势电压来推定转子磁体的温度，所述反电动势电压是在作为旋转电机的每个定子线圈中生成的。
当基于制冷剂的温度来推定转子磁体的温度时，必须基于旋转电机上的负载状态考虑制冷剂温度与转子磁体的温度之间的相互关系。此外，当基于在每个定子线圈中生成的反电动势电压来推定转子磁体的温度时，需要获取反电动势电压特性，该反电动势电压特性提前限定了反电动势电压与转子磁体的温度之间的相互关系。当以这种方式提前获取的反电动势电压特性与转子磁体的实际反电动势电压特性之间存在偏差时，存在这样的问题：即，推定转子磁体的温度的精确性降低。
发明内容
本发明提供了一种这样的用于旋转电机的控制装置以及包括该控制装置的旋转电机驱动系统：该控制装置通过适当地校正反电动势电压特性而提高了推定转子磁体的精确性。
本发明的一方面提供一种用于具有定子线圈和转子磁体的旋转电机的控制装置。所述控制装置包括反电动势电压计算单元、制冷剂温度获取单元、特性校正单元和温度推定单元。所述反电动势电压计算单元被配置为计算在所述旋转电机的工作期间在所述定子线圈中生成的反电动势电压。所述制冷剂温度获取单元被配置为获取冷却所述旋转电机的制冷剂的温度。所述特性校正单元被配置为基于所计算的反电动势电压和所获取的制冷剂温度校正反电动势电压特性，所述反电动势电压特性限定所述转子磁体的温度与所述反电动势电压之间的相互关系。所述温度推定单元被配置为使用校正后的反电动势电压特性来推定所述转子磁体的温度。
在根据本发明的控制装置中，所述特性校正单元可被配置为，通过将所述反电动势电压特性的变化率设定为与这样的变化率基本相同来获得所述校正后的反电动势电压特性：该变化率为所述反电动势电压的变化对所述转子磁体的温度的变化的预定比率。
在根据本发明的控制装置中，所述转子磁体可具有制冷剂流动路径，所述制冷剂通过该路径在所述转子磁体内部流动，且所述制冷剂流动路径可以沿着所述转子磁体的纵向方向相邻地设置。
在根据本发明的控制装置中，所述制冷剂温度获取单元可被配置为在冷却期内获取所述制冷剂的温度，所述旋转电机在所述冷却期内在预定的恒定运行条件下工作。
本发明的另一方面提供一种可以包括控制装置的旋转电机驱动系统，其被配置为基于使用上述控制装置校正的所述反电动势电压特性来推定所述转子磁体的温度，且当所推定的温度高于或等于预定值时限制所述旋转电机的驱动电流。
利用上述配置，特性校正单元基于所计算的反电动势电压和所获取的制冷剂温度，校正反电动势电压特性。利用这样配置的控制装置，可以基于与转子磁体的温度基本上相当的制冷剂温度，将反电动势电压特性校正为合适的特性，因此可以提高推定转子磁体的温度的精确性。通过将反电动势电压特性的变化率设定为相同的变化率，可以将反电动势电压特性校正到与实际状态匹配的合适特性。
利用上述配置，制冷剂流过制冷剂流动路径，该路径沿着转子磁体的纵向方向相邻地设置。因此，可以提高在校正反电动势电压特性时转子磁体温度与制冷剂温度之间的相关性。
利用上述配置，在冷却期期间检测制冷剂的温度，在所述冷却期内旋转电机在预定的恒定运行条件下工作。因此，可以提高在校正反电动势电压特性时转子磁体温度与制冷剂温度之间的相关性。
附图说明
下文中将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，其中相同的参考标号表示相同的要素，并且其中：
图1是示出根据本发明实施例的包括用于旋转电机的控制装置的旋转电机驱动系统的图；
图2是示出根据本发明实施例的使用反电动势电压特性来推定旋转电机的转子磁体的温度的步骤的流程图；以及
图3是示出根据本发明实施例的在每个定子线圈中生成的反电动势电压与转子磁体温度之间的相互关系的反电动势电压特性图。
具体实施方式
将参考附图详细描述根据本发明的用于旋转电机的控制装置以及包括该控制装置的旋转电机驱动系统的实施例。在下文中，所有附图中相同的参考标号表示相同的要素，且忽略重复描述。
图1是示出用于车辆的旋转电机驱动系统10的配置的图。旋转电机驱动系统10包括旋转电机12、驱动电路14和控制装置16。旋转电机12被安装在车辆上。驱动电路14被连接到旋转电机12。控制装置16控制驱动电路14。
旋转电机12是安装在车辆上的电动发电机。即，旋转电机12在车辆的动力行驶期间用作电动机，在车辆的制动期间用作发电机。旋转电机12包括环形定子和转子20。定子具有生成旋转磁场的定子线圈。转子20被设置在定子的径向内侧。图1示出了通过抽取旋转电机12的转子20的部分的横截面图。
转子20被形成为使得：转子磁体20被嵌入在通过层压电磁钢板而形成的转子芯22内。转轴26在转子芯22的中央轴处被连接。转子磁体24由永磁体制成，诸如为稀土烧结磁体的钕磁体。钕磁体具有这样的温度特性：随着温度上升，磁力降低。当温度不那么高时，温度特性是可逆的退磁特性；然而，当温度进一步上升时，依赖于所接收到的退磁场的强度，发生不可逆的退磁。随着转子磁体24的退磁的继续，旋转电机12的输出转矩降低。因此，退磁阈值温度θth被设为不会引起不可逆退磁的温度，且需要执行控制，以使转子磁体24的温度处于或低于退磁阈值温度θth。稍后将描述该控制方法的例子。
转轴26由在发动机外壳(未示出)上设置的轴承可旋转地支撑。当预定驱动电流被施加到定子的定子线圈时，定子生成旋转磁场。由此，定子20通过旋转磁场与转子磁体24之间的协作作用而旋转，且转矩被输出到转轴26。旋转角速度检测单元28检测转轴26的旋转角速度ω，且检测的结果通过适当的信号线被传输到控制装置16。
被设置为延伸通过转轴26的制冷剂流动路径30是这样的流动路径：用于冷却转子20的制冷剂通过该流动路径。制冷剂流动路径31是这样的流动路径：其从制冷剂流动路径30分支，且在转子芯22中沿着转子磁体24的纵向方向相邻地设置。被称为自动传输流体(ATF)的流体被用作流过制冷剂流动路径30、31的制冷剂。制冷剂温度传感器32检测作为制冷剂的ATF的温度θA，且检测结果通过适当的信号线被传输到控制装置16。
驱动电路14包括电源电路36、逆变器38、转矩命令单元40、正弦波控制电路42、矩形波控制电路44和模式切换电路46。逆变器38被连接到电源电路36。转矩命令单元40发布转矩命令值T*。
电源电路36是高电压直流电源，其向逆变器38提供系统电压VH。电源电路36包括电源以及适当的升压/降压电路，所述电源为例如锂离子电池组、镍-金属氢化物电池组和大容量电容器。约500到600V被用作系统电压VH。
逆变器38是被连接到旋转电机12的定子的电路。逆变器38包括多个开关元件和多个反并联二极管，且具有在直流电力与交流电力之间转变电力的功能。当使得旋转电机12用作电动机时，逆变器38具有将来自电源电路36侧的直流电力转变为三相驱动电力、然后将该三相驱动电力提供给旋转电机12作为交流驱动电力的直流/交流转变功能。此外，当使得旋转电机12用作发电机时，逆变器38具有将来自旋转电机12的三相再生电力转变为直流电力、然后将该直流电力提供给电源电路36侧作为充电电力的交流/直流转变功能。
转矩命令单元40基于例如作为车辆用户的驾驶员的加速操作来计算出转矩命令值T*，并将转矩命令值T*施加到正弦波控制电路42和矩形波控制电路44。正弦波控制电路42是当旋转电机12的控制模式是正弦波控制模式时生成脉冲宽度调制(PWM)驱动信号且然后将该PWM驱动信号提供给逆变器38的电路。正弦波控制电路42是执行电流反馈控制以将实际电流值反馈给电流命令值的电路。正弦波控制电路42包括电流命令生成单元48、电流控制单元50和PWM电路52。
电流命令生成单元48接收转矩命令值T*，并在矢量控制中输出d轴电流命令值Id*和q轴电流命令值Iq*。电流控制单元50通过转变作为旋转电机12的三相驱动电流的实际值IU、IV、IW，来获得d轴实际电流值Id和q轴实际电流值Iq，并通过执行比例积分(PI)控制以使从上述值获得的d轴电流偏差ΔId＝(Id*-Id)且q轴电流偏差ΔIq＝(Iq*-Iq)变为零，来输出d轴电压命令值Vd*和q轴电压命令值Vq*。PWM电路52通过对Vd*、Vq*执行脉冲转换，输出三相驱动电压命令值VU*、VV*、VW*。
矩形波控制电路44是当旋转电机12的控制模式是矩形波控制模式时生成矩形波驱动信号且然后将该矩形波驱动信号施加到逆变器38的电路。矩形波控制电路44是执行转矩反馈控制以将实际的转矩值T反馈给转矩命令值T*的电路。矩形波控制电路44包括减法器54、电压相位控制单元56和矩形波生成单元58。
减法器54从旋转电机12的d轴电流值Id和q轴电流值Iq获得旋转电机12的实际转矩值T，然后输出转矩偏差ΔT＝(T*-T)。电压相位控制单元56输出命令电压矢量的绝对值│V*│和命令电压相位Ψ，以使转矩偏差变成零。这里，命令电压矢量的绝对值是通过│V*│＝(Vd*2+Vq*2)1/2计算出的值。矩形波生成单元58输出具有│V*│和Ψ的矩形波驱动信号。
模式切换电路46是这样的变更电路：其根据预定切换标准选择旋转电机12的控制模式，随后根据所确定的控制模式将PWM电路52和矩形波生成单元58中的一者设为逆变器38的被连接的电路。调制系数＝│V*│/VH可被用作预定切换标准。例如，当调制系数小于或等于0.61时，可选择正弦波控制模式，而当调制系数为0.78时，可选择矩形波控制模式。
当调制系数为0.61到0.78时，可以选择过调制(overmodulation)控制模式作为旋转电机12的控制模式。当使用过调制控制模式时，在驱动电路14中设置提供过调制驱动信号的过调制控制电路。除了在PWM电路52中适用的调制系数是0.61到0.78之外，过调制控制电路具有与正弦波控制电路42的配置类似的配置，所以省略详细的描述。
控制装置16具有使用反电动势电压特性来推定旋转电机12的转子磁体24的温度θM的功能，所述反电动势电压特性限定反电动势电压与温度之间的相互关系。出于该原因，控制装置16包括运行条件设定单元60、反电动势电压计算62、制冷剂温度获取单元64、特性校正单元66、温度推定单元68和驱动电流限制单元70。运行条件设定单元60设置旋转电机12的运行条件。反电动势电压计算单元62计算在旋转电机12的工作期间在每个定子线圈中生成的反电动势电压。制冷剂温度获取单元64获取冷却旋转电机12的ATF的温度。特性校正单元66基于所计算的反电动势电压和所获取的制冷剂温度来校正反电动势电压特性。温度推定单元68使用校正后的反电动势电压特性来推定转子磁体24的温度θM。驱动电流限制单元70限制旋转电机12的驱动电流。上述功能可通过执行软件而实现，具体地，可通过执行旋转电机驱动控制程序而实现。这些功能的一部分可通过硬件实现。
将参考附图1到3详细描述上述配置的操作。图2是示出使用反电动势电压特性来推定旋转电机12的转子磁体24的温度θM的步骤的流程图。这些步骤分别对应于旋转电机驱动控制程序的处理。图3是示出指示在每个定子线圈中生成的反电动势电压E与转子磁体24的温度θM之间的相互关系的反电动势电压特性C的图。在反电动势电压特性C中，X轴表示转子磁体24的温度θM，Y轴表示反电动势电压E。反电动势电压特性C可通过实验、模拟等提前获得。反电动势电压特性C被存储在控制装置16的适当存储器中，且在必要时被加载。
最初，使旋转电机12在预定的恒定运行条件下工作(S2)。所述恒定运行条件被有利地设定为使得转子磁体的温度θM和ATF的温度θA之间的相关性提高。例如，旋转电机12的转速被设定为1000rpm且旋转电机12的输出转矩被设定为10Nm是合适的。该处理由控制装置16的运行条件设定单元60的功能执行。
随后，在其中旋转电机12在上述运行条件下工作的ATF循环冷却期期间获取q轴电压命令值Vq*、q轴实际电压值Vq、以及旋转电机12的旋转角速度ω，并计算在旋转电机12的每个定子线圈中生成的反电动势电压E1(S4)。该处理由控制装置16的反电动势电压计算单元62的功能执行。如图3所示，如果使用反电动势电压E1和反电动势电压特性C，则转子磁体24的温度θM被推定为θ1。然而，在转子磁体24的实际反电动势电压特性与提前获取的反电动势电压特性C之间可能存在偏差，因此反电动势电压特性C需要被校正为接近转子磁体24的实际特性的反电动势电压特性CA。这里，如图3所示，反电动势电压特性C中的变化率(ΔY/ΔX)等于反电动势电压特性CA的变化率(ΔYA/ΔXA)。即，反电动势电压特性CA的斜率等于反电动势电压特性C的斜率。
在ATF循环冷却期期间，从制冷剂温度传感器32获取流过制冷剂流动路径30、31的ATF的温度θA(S6)。该处理由控制装置16的制冷剂温度获取单元64的功能执行。
随后，基于在S4中计算的反电动势电压E1和在S6中获取的温度θA，将反电动势电压特性C校正为指示转子磁体24的实际特性的反电动势电压特性CA(S8)。具体地，在其上示出了反电动势电压特性C的XY坐标系统中，找出直线Y＝E1与直线X＝θA的交叉点P，如图3所示，反电动势电压特性C被校正为通过交叉点P的反电动势电压特性CA。该处理由控制装置16的特性校正单元66的功能执行。
之后，使用校正后的反电动势电压特性CA获得转子磁体24的温度θM(S10)。具体地，在校正之后由反电动势电压计算单元62检测的反电动势电压是例如E2的情况下，如果使用反电动势电压特性CA特性，则转子磁体24的温度θM被推定为θ2，如图3所示。该处理由控制装置16的温度推定单元68的功能执行。
判定基于反电动势电压特性CA而推定的温度是否高于或等于阈值θth(S12)。当在S12中推定的温度并非高于或等于θth时，则在经过预定时间段后，处理再次返回到S12。该处理由控制装置16的温度推定单元68的功能执行。
当在S12中推定的温度高于或等于θth阈值时，则限制旋转电机12的三相驱动电流IU、IV、IW(S14)。此时，旋转电机12的三相驱动电流IU、IV、IW被限制在预定值以下，以便将转子磁体24的温度θM设定在阈值θth以下。该处理由控制装置16的驱动电流限制单元70的功能执行。
如上所示，旋转电机驱动系统10的控制装置16基于反电动势电压E1和ATF的温度θA而校正反电动势电压特性C。因此，可以基于与转子磁体24的温度θM基本相当的ATF的温度θA，将反电动势电压特性C校正为接近转子磁体24的实际特性的反电动势电压特性CA，因此可以提高推定转子磁体24的温度θM的精确性。
在旋转电机驱动系统10中，ATF流过沿着转子磁体24的纵向方向相邻地设置的制冷剂流动路径31。因此，如上所示，可以在校正反电动势电压特性C时提高转子磁体的温度θM和ATF的温度θA之间的相关性。
在旋转电机驱动系统10中，在冷却期期间检测ATF的温度θA，所述旋转电机12在冷却期中在其中转子磁体的温度θM与ATF的温度θA之间的相关性提高的恒定运行条件下工作。因此，如上所述，可以在校正反电动势电压特性C时提高转子磁体24的温度θM与ATF的温度θA之间的相关性。
本发明不限于上述实施例。本发明可在本申请的所附权利要求书及其等价物中描述的事项内以各种形式被改善或修改。
在上述旋转电机驱动系统10中，描述了安装在车辆上的电动发电机作为旋转电机12；替代地，旋转电机12可以是除了安装在车辆上的旋转电机之外的旋转电机。描述了钕磁体作为永磁体；替代地，永磁体可以是除了钕磁体之外的稀土磁体，例如钐钴磁体和钐铁氮磁体。除了稀土磁体之外，铁氧体磁体和铝镍钴磁体也是适用的。描述了ATF作为用于冷却转子20的制冷剂；替代地，制冷剂可以是除了ATF以外的油性制冷剂，且在适用时可以是水性(aqueous)制冷剂或气态制冷剂。
在上述旋转电机驱动系统10中，旋转电机12的控制模式在矩形波控制模式与正弦波控制模式之间切换；替代地，控制模式可在进一步包括过调制控制模式的三种控制模式之间被切换。
Claims (5)
1.一种用于具有定子线圈和转子磁体的旋转电机的控制装置，包括：
反电动势电压计算单元，其被配置为计算在所述旋转电机的工作期间在所述定子线圈中生成的反电动势电压；
制冷剂温度获取单元，其被配置为获取冷却所述旋转电机的制冷剂的温度；
特性校正单元，其被配置为基于所计算的反电动势电压和所获取的制冷剂温度校正反电动势电压特性，所述反电动势电压特性限定所述转子磁体的温度与所述反电动势电压之间的相互关系；以及
温度推定单元，其被配置为使用校正后的反电动势电压特性来推定所述转子磁体的温度。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中
所述特性校正单元被配置为，通过将所述反电动势电压特性的变化率设定为与这样的变化率基本相同来获得所述校正后的反电动势电压特性：该变化率为所述反电动势电压的变化对所述转子磁体的温度的变化的预定比率。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其中
所述转子磁体具有制冷剂流动路径，所述制冷剂通过该路径在所述转子磁体内部流动，且所述制冷剂流动路径沿着所述转子磁体的纵向方向相邻地设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制装置，其中
所述制冷剂温度获取单元被配置为在冷却期内获取所述制冷剂的温度，所述旋转电机在所述冷却期内在预定的恒定运行条件下工作。
5.一种旋转电机驱动系统，包括：
根据权利要求1到4中任一项所述的控制装置，其中
所述旋转电机驱动系统被配置为基于使用所述控制装置校正的所述反电动势电压特性来推定所述转子磁体的温度，且所述旋转电机驱动系统被配置为当所推定的温度高于或等于预定值时限制所述旋转电机的驱动电流。
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