CN104412506B - 电机控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电机2的驱动系统，包括：驱动级15、被设置为控制该驱动级的操作以控制到电机2的驱动电流的控制设备16、以及被设置为生成指示该系统的固定部件的温度的温度输出的传感设备30。控制设备被进一步设置为根据指示该驱动电流的至少一个分量的电流指标和所述温度输出来得到指示电机转子温度的转子温度指标。

Description

电机控制

本发明涉及用于永磁电机的电机控制系统。

电机在不同范围的应用中正变得越来越常见。例如，已知提供一类包括输入轴、输出轴、适于测量输入轴中的扭矩的扭矩传感器、以及适于依据由扭矩传感器测得的扭矩来向输出轴施加辅助扭矩的电机的电动助力转向(EPS)系统。这是本发明一种适合的应用。然而，在许多其他应用中本发明对电机同样有用。

典型的永磁电机包括磁性的转子(例如包括一个永磁体)和在轭上包括多个相绕组的定子。横跨每个相绕组施加合适的电压使电流流过绕组，在定子与转子之间的气隙中产生电流矢通量。此通量与转子的磁场相互作用使转子向其中电流矢量与转子磁场的轴线对齐的平衡点旋转。为使转子连续转动，通过绕组的电流必须依序被改变。这导致电流矢量旋转。这可以通过在电机驱动电路的控制下调节横跨每个绕组的电压来实现。

存在来自绕组的磁场时，如果永磁体的温度上升过高则磁体可能会退磁。这可以通过限制高温下的电机电流以限制转子温度来避免。然而磁体或转子温度不易被直接测量，因此必须被估算。已知各种转子温度估算方法，但仍然存在对改进的转子温度估算的需要。

本发明提供了一种用于电机的驱动系统，所述电机包括转子和定子。转子可包括永磁体。该驱动系统包括驱动级(drive stage)和控制设备，所述控制设备被设置为控制驱动级的操作以控制该电机，例如通过控制到电机的驱动电流。系统还可以包括被设置为产生指示驱动级或电机系统的其他固定部件的温度的温度输出的传感设备。控制设备被进一步设置为得到指示转子温度的转子温度指标(rotor temperature indicator)。转子温度指标可以根据一个或多个输入得到，所述输入可以包括温度输出和指示或者取决于驱动电流的至少一个分量的电流指标。

所述驱动电流的至少一个分量可以是d轴电流和q轴电流中的一个或两个。

所述固定部件可包括驱动级或其一部分。例如其可包括电路板或散热器，或诸如形成驱动级的一部分的晶体管或电容器之类的独立组件。替代地，其可包括有驱动电流或驱动电流的分量流过的其他部件，例如将驱动级连接到电机的引线。其可包括直接或间接地被电机中流动的电流加热或间接地被转子加热的部件，如电机或电机壳体的不同部分。在一种设置中，优选所述固定部件不是电机的一部分，因为这将要求电机安装有传感器。另外，如果电机是固定的，转子可能不会均匀升温，因为各相将承载不同电流。所述传感设备可包括温度传感器，并且可被安装在驱动级或其一部分上，或与之热接触。替代地，传感设备本身可包括被设置为估算驱动级温度的估算器(estimator)。

驱动级可包括在其上具有多个开关的电路板，所述电路板被设置为控制到电机绕组的电流。驱动级可包括散热器。温度传感器可以安装在这些部件中的任何一个上，或者与之热接触。

控制设备可被设置为确定转子温度指标的瞬时值系列，并将低通滤波器应用于该瞬时值系列以得到转子温度指标的滤波值。可以每当确定瞬时值就更新滤波值，或者更低频次。

驱动电流指标可以指示在测量周期内所述驱动电流的至少一个分量的平均值，或所述至少一个分量的平方的平均值，或其幅度(magnitude)的平均值。当两个或更多个电流分量被测量时，驱动电流指标可为这些分量的平方的和的平均值。因此，驱动电流指标可以指示驱动电流或其至少一个分量的电功率。因此，驱动电流指标可以是驱动电流功率指标。例如，驱动电流指标可以随驱动电流的电功率线性变化。

控制设备可以被设置为在测量周期内测量所述驱动电流的至少一个分量的幅度或幅度的平方的瞬时值系列，并且通过对该瞬时值系列进行平均来得到驱动电流指标。

控制设备可被设置为根据温度输出的平均值得到转子温度指标。控制设备可被设置为在测量周期内测量所述温度输出的瞬时值系列，并根据该瞬时值系列得到温度输出的平均值。

控制设备可被设置为得到作为两个分量的和的转子温度指标，其中一个分量指示驱动级的温度，并且另一个分量指示电机电流的电功率。

转子温度评估方法可以使用各种输入，所述各种输入通常是测量或存储的参数。已发现驱动级温度可以用作到估算器的一个输入，电机电流的平方作为另一个输入。驱动级温度提供环境温度的测量，并且随电机电流升高和降低比转子快得多。电机电流的平方提供到电机(以及由此转子)的热输入的测量。所述输入变化比转子温度快得多，因此为了提供良好的估算，这些输入或估算的转子温度值优选被重度滤波。

可以使用其他温度输入，但驱动级和转子似乎都被电机电流加热。因此，鉴于其他温度似乎从不同源接收到热量，驱动级温度是用于估算器的好的基础。

该系统还可包括优选实施例的一个或更多个特征，现将参考附图只并以举例的方式描述所述优选实施例，其中：

图1是根据本发明的实施例的电机和驱动系统的示意图；

图2a是图1的所述系统的侧视图；

图2b是穿过图1的所述系统的驱动级的示意性截面图；

图3是示出了由图1的所述系统执行的转子温度估算方法的流程图；以及

图4是更详细地示出了图3的所述方法的示例的流程图。

参照图1，在本发明的一个实施例中，三相电机2在控制器16的控制下通过逆变器(inverter)14形式的驱动级被来自例如车辆用电池的电压源12的电流驱动。电机2包括连接到负载的转子4和在其上缠绕有绕组8的定子6，电机 2被设置为驱动所述负载。转子4包括许多永磁体9，所述永磁铁9与绕组8产生的磁场相互作用来以已知的方式驱动电机。逆变器14包括统称为驱动级的三对开关(典型地为晶体管)。每对开关包括串联在来自电压源12的正极线20a 和负极线20b之间的顶晶体管和底晶体管。三个输出端21均从各自的晶体管对之间引出。输出端21均通过引线23连接到各自的电机端子22，并且电流传感器24被设置来测量引线23中的驱动电流。

控制器16被设置为控制逆变器14中的驱动级开关15以便为电机绕组8提供电流的脉宽调制。因此控制器16具有产生到六个开关的控制栅极的开关控制信号的六个开关控制输出端26。控制器16从电流传感器24接收输入信号，根据此输入信号其可确定三个电机相电流，并且从被设置为测量驱动级15的温度的温度传感器30接收输入信号。在实践中，控制器16还会接收其他传感器输入，使其能够确定电机转速以及电机2的转子4的旋转位置。控制器16还接收扭矩需求输入并被设置为控制逆变器14驱动电机以产生所需求的扭矩。

参照图2a，在本实施例中，电机2被容纳在筒状壳体3中并且逆变器14、驱动级15和控制器16安装在壳体3的后端。然而在其他实施例中，逆变器14、驱动级15和控制器16可安装在电机壳体的侧面或甚至在一个单独的壳体中。

参照图2b，驱动级15通常包括印刷电路板(PCB)和散热器34，其中驱动级的晶体管36被印刷在支撑基底32上，散热器34被设置为将热从晶体管36 传导走。本实施例中的温度传感器30安装在与散热器34紧密热接触的基底32 上并且因此被设置为测量散热器34的温度。这给出驱动级部件自身温度的良好测量。在替代实施例中，温度传感器可以直接安装在散热器34上，而不是安装在基底32上。

在操作期间，控制器16被设置为产生被设置为提供转子4的估算温度的指示的温度指标。控制器16设置为监视该温度指标的值并将其与存储在控制器16 的存储器中的限值相比较。如果温度指标超过该限值，则该控制器被设置为修改其操作以限制或降低转子温度。在本实施例中，控制器被设置为将其产生的电机电流限制到一定水平，即有望使转子温度下降或至少防止转子温度进一步升高的水平。

参照图3，由控制器16执行的转子温度估算通常包括多个现在将描述的主要步骤。第一步骤310包括设置温度指标的初始值。其可以被设为存储在存储器中或基于初始温度测量的预定值，可选地外加安全余量。然后在步骤312中测量固定部件的温度。在本实施例中，所述固定部件为驱动级，但其它部件也可以用于此目的。在步骤314中确定通过电机的电流。在这种情况下，控制器使用电流传感器24测量电流。然而在其它实施例中，可使用估算的电流。在步骤316中，基于所测量的部件温度和电机电流使用适当的计算取得转子温度指标的瞬时值。重复此步骤以生成一系列瞬时值。最后，生成每个瞬时值之后，低通滤波器函数被应用于该瞬时值及之前的值，并且温度指标的最终值被确定。所述最终值由控制器16用作温度指标，控制器16检查该值并确定是否需要在控制策略中进行任何变化以限制转子温度。

要理解的是，以上描述的通用方法可以由控制器16以许多不同的方式来实现，并且现 将参照图4说明一个实例。本实例使用多个变量如下：

drive stage temperature(驱动级温度)是驱动级温度的测量值

rotor T heat input(转子T热输入)是由电机电流导致的到转子的热输入的估值

rotor T drive-stage T(转子T驱动级T)是随测量的驱动级温度变化的转子温度的分量的估值

rotor T input temperature(转子T输入温度)是转子温度的瞬时估值

rotor T estimate(转子T估值)是转子T输入温度的低通滤波值，其用作估算的转子温度

rotor T execution count(转子T执行计数)是随驱动级温度的每个瞬时测量递增的简单计数器

以及存储在存储器中的固定参数如下：

ROTOR T HEATING FACTOR(转子T加热因子)——确定驱动电流功率对估算的转子温度的相对影响的因子；

ROTOR T TIMR CONSTANT(转子T时间常数)——用于对瞬时温度估值系列进行滤波的低通滤波器的时间常数；

ROTOR T INITIAL MARGIN(转子T初始余量)——转 子温度和测量的驱动级温度之间的假定初始差异

ROTOR T COUNT MAX(转子T计数最大值)——用于产生平均测量结果的驱动级温度和驱动电流功率瞬时测量结果的数量

该过程中的第一步是在电机启动时执行的初始化步骤410。该步骤包括测量驱动级温度以得到驱动级温度drive stage temperature的初始值并且将转子T估值的值设置为初始值：

rotor T estimate＝drive stage temperature+ROTOR T INITIAL MARGIN

然后在步骤412中，rotor T execution count，和rotor T drive-stage T以及rotor T heat input的值都设为零。这形成了启动电机时的初始化的一部分，但是也作为在测量周期中的第一步被执行。然后，控制器被设置为在测量循环周期内测量若干次驱动级温度的瞬时值，并得到针对该周期的驱动级温度的平均值，并且还在同一测量循环周期内测量若干次电机电流的瞬时值并得到该循环周期内的电机电流的平方的平均值。

测量循环包括：计数增加步骤414，在该步骤中计数器rotor T execution count增加1；然后步骤416，在该步骤中变量rotor T drive-stage T和rotor T heat input 分别以取决于电机电流与驱动级温度的瞬时测量值的量递增。

在步骤418中，将计数rotor T execution count与最大值ROTOR T COUNT MAX进行比较，最大值ROTOR T COUNT MAX在本实施例中为50，但再一次地可被设为任何适当的数。若rotor T execution count还未达到最大值，则控制器返回到步骤414，将计数器rotor T execution count递增1并且重复步骤416。每隔20ms如此执行一次，但是明显可以视情况使用其他时间周期。如果在步骤 418中，计数已经达到最大值，则在步骤420中，根据rotor T drive-stage T和rotor T heat input的平均值得到估算的转子温度的瞬时值rotor T input temperature。这使用以下等式完成：

rotor T input temperature＝ROTOR T HEATING FACTOR＊rotor T heat input+rotor T drive-stage T

要理解的是，在本实施例中，其被每秒计算一次，这些值被存储以形成系列值。然后该系列值用低通滤波器进行滤波以得到最终转子温度估值rotor T estimate。

一旦获得估算的转子温度rotor T estimate的新值，控制器返回到步骤412 以开始另一测量循环。

在本实施例中，固定参数可以具有从最小值到最大值的取值范围，但被设置为如下的标称值：

要理解的是，可以对上述实施例和变型进行各种修改。例如，温度传感器可被设置为测量驱动级的特定部件(诸如晶体管或电容器)的温度，或其可以被设置为测量驱动电流(或者驱动电流的分量)流过的另一部件(如将驱动级连接到电机的引线23中的一个或更多个)的温度。此外，可增强指标的低通滤波和平均以使算法适于其他电机和控制器实施例。

Claims (11)

1.一种用于电机的驱动系统，所述电机包括转子和定子，并且所述转子包括永磁体，其中该驱动系统包括

驱动级，所述驱动级不是所述电机的一部分，

控制设备，被设置为控制所述驱动级的操作以控制到电机的驱动电流，和

传感设备，被设置为生成指示该系统的固定部件的温度的温度输出，其中所述固定部件是驱动级或所述驱动电流流过的不是所述电机的一部分的另一部件，

其中控制设备被进一步设置为根据在所述电机中流动的所述驱动电流的量度得到指示所述驱动电流的至少一个分量的驱动电流指标以及根据所述温度输出得到指示转子温度的转子温度指标。

2.根据权利要求1所述的驱动系统，其中驱动级包括被设置为控制到电机绕组的电流的、其上具有多个开关的电路板。

3.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中控制设备被设置为确定转子温度指标的一系列瞬时值并且将低通滤波器应用到该一系列瞬时值以获得定子温度指标的滤波值。

4.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中驱动电流指标指示所述至少一个分量的功率。

5.根据权利要求4所述的驱动系统，其中驱动电流指标指示在测量周期内的驱动电流的所述至少一个分量的功率的平均值。

6.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中控制设备被设置为在测量周期内测量驱动电流的所述至少一个分量的一系列瞬时值，并且根据该一系列瞬时值得到所述驱动电流指标。

7.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中控制设备被设置为根据所述温度输出的平均值得到转子温度指标。

8.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中控制设备被设置为在测量周期内测量所述温度输出的一系列瞬时值，并且根据该一系列瞬时值得到温度输出的平均值。

9.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中控制设备被设置为得到作为两个分量之和的转子温度指标，其中一个分量指示固定部件的温度并且另一个分量指示电机电流的至少一个分量的电功率。

10.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中控制设备被设置为将转子温度指标与限值相比较，并且如果转子温度指标达到该限值，则修改控制设备的操作。

11.根据权利要求10所述的驱动系统，其中控制设备被设置为通过限制其将产生的驱动电流来修改其操作。