CN104660133A - 电机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机控制装置及方法，该装置包括：电机温度传感器；驱动控制器温度传感器；温度控制器，用于接收温度控制指令及电机本体的温度、驱动控制器功率器件的环境温度，在电机本体的温度或驱动控制器功率器件的环境温度低于设定温度时，向电机的驱动控制器发送控制指令使电机工作于低效率驱动模式，否则，向电机的驱动控制器发送控制指令使电机工作于高效率驱动模式；高效率驱动模式为提高电机效率、减少电机本体和驱动控制器功率器件发热的驱动模式；低效率驱动模式为降低电机效率，使电机本体和驱动控制器功率器件发热以加热电机本体和驱动控制器的驱动模式。本发明可以通过改变电机驱动模式，解决低温环境下导致的问题。

Description

电机控制装置及方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电机控制装置及方法。

背景技术

高空无人机、空间环境飞行器、南北极探险机器人相继出现。电机作为执行机构，广泛用于这些领域。这些应用领域的共同特点是：需要电机装置在低温环境工作。

电机装置一般由电机本体和驱动控制器构成。由于电机本体中的轴承润滑油及油脂工作温度的限制，一般情况下，其工作温度一般不能低于-60℃左右(也有工作温度更低的润滑油或油脂)；而驱动控制器电子元器件的工作温度通常需要在-40℃以上(也有耐温度更低的电子元器件)。在这种情况下为了保证电机润滑和电子元器件的正常工作，在低于允许环境温度时,一般需要额外增加加热装置确保电机装置的环境温度满足材料要求的工作温度。但是，增加加热装置增加系统的复杂性，带来体积和重量的上升，给系统运行带来一定负担。

由于电机本体以及驱动用功率器件(即驱动控制器功率器件)在正常工作时都会产生热能，所以，如果能够有效控制和利用好这些热能，使其为轴承(润滑油脂)以及电子元器件等提供合适的环境温度，则可以不用或少用加热装置，实现电机装置的低温工作，进而降低电机装置的体积和重量，提高系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机控制装置及方法，以利用电机本体及驱动用功率器件等产生的热能为轴承及其他电子元器件提供合适的环境温度。

为了实现上述目的，本发明提供的电机控制装置的技术方案如下：

一种电机控制装置，其包括：电机温度传感器，用于检测电机本体的温度；驱动控制器温度传感器，用于检测驱动控制器功率器件的环境温度；温度控制器，与所述电机温度传感器、驱动控制器温度传感器连接，用于接收温度控制指令及电机本体的温度、驱动控制器功率器件的环境温度，在电机本体的温度或驱动控制器功率器件的环境温度低于设定温度时，向电机的驱动控制器发送控制指令使电机工作于低效率驱动模式，否则，向电机的驱动控制器发送控制指令使电机工作于高效率驱动模式；其中，高效率驱动模式为提高电机效率、减少电机本体和驱动控制器功率器件发热的驱动模式；低效率驱动模式为降低电机效率，使电机本体和驱动控制器功率器件发热以加热电机本体和驱动控制器的驱动模式。

根据所述电机控制装置的一种优选实施方式，还包括：电流分配器，与所述温度控制器连接，用于接收所述温度控制器发送的控制指令，将电机电流指令分解为与旋转磁场平行的直轴电流指令和与旋转磁场正交的交轴电流指令，并接入电机的驱动控制器；其中，在高效率驱动模式时，所述电流分配器选择电机效率最高的直轴/交轴电流比例进行控制；在低效率驱动模式时，所述电流分配器改变该直轴/交轴电流比例，增加电机的发热。

根据所述电机控制装置的一种优选实施方式，还包括：电压控制器，与所述温度控制器连接，用于接收所述温度控制器发送的控制指令，生成交流电压幅值和频率指令并接入电机的驱动控制器；其中，在高效率驱动模式时，选择电机效率最高的交流电压幅值和频率指令控制；在低效率驱动模式时，采用电机效率低的交流电压幅值和频率指令控制，增加电机的发热。

为了实现上述目的，本发明提供的电机控制方法的技术方案如下：

一种电机控制方法，其包括以下步骤：将电机设置为至少两种驱动模式：高效率驱动模式和低效率驱动模式；其中，高效率驱动模式为提高电机效率，减少电机本体和驱动控制器功率器件发热的驱动模式；低效率驱动模式为降低电机效率，使电机本体和驱动控制器功率器件发热以加热电机本体和驱动控制器的驱动模式；采集电机本体及驱动控制器的环境温度；将采集的电机本体及驱动控制器的环境温度与设定的目标温度进行比较；在电机本体的温度及驱动控制器的环境温度达到设定的目标温度时，采用高效率驱动控制模式；否则，采用低效率工作模式。

根据所述电机控制方式的一种优选实施方式，在将电机设置为高效率驱动模式和低效率驱动模式的步骤中，将电机电流分解为与旋转磁场平行的直轴电流和与旋转磁场正交的交轴电流，以进行电流控制。

根据所述电机控制方式的一种优选实施方式，在高效率驱动模式时，选择电机效率最高的直轴/交轴电流比例进行控制；在低效率驱动模式时，改变该直轴/交轴电流比例，增加电机的发热。

根据所述电机控制方式的一种优选实施方式，在高效率驱动模式时，选择电机效率最高的电压指令控制方式；在低效率驱动模式时，采用电机效率低的电压指令控制方式，增加电机的发热。

根据所述电机控制方式的一种优选实施方式，电机本体的温度、驱动控制器的环境温度通过一个或多个温度传感器获得，或者采用间接推算的方式获得。

分析可知，本发明可以应用于低温环境下工作的电机装置上，无需额外的加热装置，通过改变电机驱动模式，解决电机润滑材料及电子元器件等在低温环境下工作导致的一些技术问题。

附图说明

图1为本发明装置实施例应用于一电机的原理示意图；

图2为本发明装置实施例应用于一永磁同步电机的详细结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，电机一般而言包括电机本体7、驱动控制器6。电机本体7的电机绕组由电机外壳及散热器8包裹着，具有相对封闭的热交换环境，电机绕组热源可以有效的传导到整个电机内部。驱动控制器6的驱动控制器功率器件3由驱动控制器外壳及散热器1包裹着，也具有相对封闭的热交换环境，驱动控制器功率器件3是一热源，其发热可以有效的传导到其它发热较少的元器件上。为了分别检测电机本体7的温度、驱动控制器功率器件3的环境温度，如图2所示，本发明的装置实施例10包括电机温度传感器4和驱动控制器温度传感器2。为了接收并处理温度控制指令(温度指令)及电机本体7的温度、驱动控制器功率器件3的环境温度，本实施例10还包括温度控制器9和电流分配器12，温度控制器9用以判断电机本体所处的温度、驱动控制器的环境温度，针对性的控制电机的绕组电流，实现低温下电机的有效控制，该温度控制指令包括设定的温度或设定的目标温度。电流分配器12则用于将温度控制器9发送的控制指令接入驱动控制器6的电路，如图2所示，电流分配器12接入驱动控制器6的速度调节器和电流调节器之间。具体而言，温度控制器9的调节过程就是在电机本体7的温度或驱动控制器功率器件3的环境温度低于设定温度时，驱动控制器6向电机本体7发送控制指令使电机工作于低效率驱动模式，否则，向电机本体7发送控制指令使电机工作于高效率驱动模式。高效率驱动模式为提高电机效率，减少电机本体7和驱动控制器功率器件3发热的驱动模式。低效率驱动模式为降低电机效率，使电机本体7和驱动控制器功率器件3发热以加热电机本体7和驱动控制器6的驱动模式。

本领域技术人员周知，温度不同的系统之间发生热量的传递，直到系统的温度相等。在热量交换的过程中，遵从能量转化和守恒定律。温度平衡方程为：Q_放＝Q_吸。具体到图1、图2所示，Q_放主要为电机与外界热交换能量损失，Q_吸主要为电机把电能转换为电机动能的过程中，损耗产生的热能。

具体地，电机本体7产生的热能：

Q_吸电机＝P_铜损+P_铁损+P_机械损。

P_铜损＝3I_a ²R。

I_a为电机绕组电流，R为电机绕组电阻。其中铜损一般占30％-90％，因此调整电机电流能够改变电机损耗产生的热量。

驱动控制器6产生的热能：

Q_{吸驱动控制器}＝P_功率器件+P_其他。

P_功率器件＝V_管压降I_a。

I_a为电机绕组电流，V_管压降为驱动控制器功率器件3开关产生的固定压降。由于驱动控制器6的热主要来自其驱动控制器功率器件3，所以，调整电流值能够改变驱动控制器6的发热。

因此，本实施例10可以通过合理控制电机电压和电流可以改变电机本体7及驱动控制器6损耗，控制电能转换为热能的比率，可以打破系统的热平衡，从而控制系统的温度变化。

在具体应用本实施例10时，先将实施例10按照图2所示的电路连接电机本体7及驱动控制器6。虽然图1所示电机本体7为永磁同步电机，但是本发明并不局限于此，本实施例10也可以用于无刷直流电动机、磁钢埋入式或磁钢表贴式永磁同步电机、感应电动机、开关磁阻电动机以及同步磁阻电动机等的控制。概括而言，能够将电机的电流进行直轴和交轴分解并控制，其效率与分解比例相关的电机都可以应用。

接着，在温度控制器9中输入温度指令，将电机设置为高效率驱动模式和低效率驱动模式，在环境温度满足电机本体7及驱动控制器功率器件3工作温度要求时，采用高效率驱动控制模式，以降低系统的能源损耗。在环境温度低于电机本体7或驱动控制器功率器件3的工作温度要求时，采用低效率工作模式。利用低效率模式时的发热为电机本体7和驱动控制器6加热，实现电机装置的低温环境下工作。

最后，将采集的电机本体7及驱动控制器6的温度与事先设定的目标温度进行比较，进而选择高效率或低效率驱动模式。本实施例采用矢量控制技术将电机电流分解为与旋转磁场平行的直轴电流和与旋转磁场正交的交轴电流进行电流控制。在高效率驱动模式时，选择电机效率最高的直轴/交轴电流比例进行控制，在低效率驱动模式时，改变该电流比例(通常是增加直轴电流)，增加电机的发热。当电机本体7及驱动控制器6的温度都高于设定值时，恢复到高效率驱动模式。

在其他实施例中，也可以电压控制器代替电流分配器。也即，电压分配器在高效率模式时，选择电机效率最高的电压指令控制方式，在低效率模式时，采用电机效率低的电压指令控制方式，增加电机的发热。当电机本体及驱动控制器的温度都高于设定值时，恢复到高效率驱动模式。更具体而言，在高效率驱动模式时，选择电机效率最高的交流电压幅值和频率指令控制；在低效率驱动模式时，采用电机效率低的交流电压幅值和频率指令控制，增加电机的发热。

需要补充说明的是，电机及驱动控制器的温度采集可以用一个或多个温度传感器进行精确采集，也可以通过间接推算温度。在低效率驱动模式下进行温度控制时，可以采用精确的温度模型进行温度控制，也可以简化控制方法，在低效率驱动模式时固定直轴电流的大小，在一定的温度区间内进行温度滞环控制。

另外，上述给出了基于旋转磁场坐标进行电流矢量控制的方法，但本发明并不局限于这种模型控制方法。对于能够达到同样控制效果的电流或电压驱动方法也适用。进一步地，本发明不仅适用于电机本体和驱动控制器分离的结构，也适用于一体结构。也可以用于电机与齿轮等装置相连接，利用电机的发热为齿轮中的润滑油加热的用途。

为了更具体、详细的证明本发明的装置实施例，以磁钢内埋式永磁同步电机为例，也即电机本体7为一永磁同步电机，将电机本体7的转子磁场定向于同步旋转坐标系内，旋转磁场平行方向作为直轴，其物理量以d为下标；与旋转磁场正交的方向作为交轴，其物理量用q作为下标。则电磁转矩T_e公式为：

$T_e=P_n{\mathrm{\Ψ}}_a{I}_q+P_n(L_q-L_d)I_d{I}_q=P_n{\mathrm{\Ψ}}_a{I}_a\cos \mathrm{\β}+\frac{1}{2}{P}_n(L_q-L_d){I_a}^2\sin 2\mathrm{\β}$

其中，I_d＝I_asinβ是直轴电流，I_q＝I_acosβ是交轴电流，P_n是极对数，L_d是直轴电感，L_q是交轴电感，β是电机合成电流I_a与d轴(直轴)的夹角，Ψ_a是电机永磁体产生的磁链。

从上式可以看出，电机本体7的电磁转矩由两部分组成，第一部分为磁钢的磁链与电流矢量的外积，第二部分为转子的磁阻转矩，与L_q-L_d、电流I_a的平方以及sin2β成正比。

为了实现用最小的电流达到最大出力的目的，需要合理选择角度β。在对上式两端求导后，可以推导出，当β满足下列条件时，可以实现输出转矩与电流比值的最大化，即，在电机相电流一定的条件下，当超前角β满足下式时，电机的输出转矩达到最大：

${\mathrm{\β}}_M={\sin }^{-1}\left(\frac{-{\mathrm{\Ψ}}_a+\sqrt{{{\mathrm{\Ψ}}_a}^2+8\left({(L_q-L_d)}^2\right){I_a}^2}}{4(L_q-L_d)I_a}\right)$

从上式中可以看出，最佳超前角β_M并不是不变的，而是随I_a的大小而变化。最佳的超前角β_M点随电流的增加而变大，但是其值均在0至45度之间。

另外由于P_铁损与磁感应强度的平方成比例，进行弱磁控制时，P_铁损将会随之减少，使电机本体7的损耗在最大转矩电流比β_m偏大点位置，可以获得最大效率。

可见在图1、图2中，可以通过电机本体7通额外的d轴电流的方式，降低电机效率，进行温度控制，实现温度闭环。虽然，在对本发明实施例进行说明时以磁钢内埋式永磁同步电机为例，在对电流进行控制时以基于旋转磁场坐标进行电流控制的方法为例进行说明，但是，在其他的实施例中，还可以采用其他方法，能够达到同样控制效果的电流或电压驱动方法即可。

综上，本发明不增加额外的加热装置，不改变电机的输出转矩特性，在环境温度满足要求时，采用高效率驱动模式，不降低系统效率。在环境温度低于电机本体或驱动控制器的最低工作温度时，采用低效率驱动模式，利用电机本体及驱动器功率器件的发热对电机进行温度控制。由于省去了电机本体和驱动控制器的加热装置，本发明具有系统简单、可靠性高、重量和体积小等优点。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (8)

1.一种电机控制装置，其特征在于，包括：

电机温度传感器，用于检测电机本体的温度；

驱动控制器温度传感器，用于检测驱动控制器功率器件的环境温度；

温度控制器，与所述电机温度传感器、驱动控制器温度传感器连接，用于接收温度控制指令及电机本体的温度、驱动控制器功率器件的环境温度，在电机本体的温度或驱动控制器功率器件的环境温度低于设定温度时，向电机的驱动控制器发送控制指令使电机工作于低效率驱动模式，否则，向电机的驱动控制器发送控制指令使电机工作于高效率驱动模式；

其中，高效率驱动模式为提高电机效率、减少电机本体和驱动控制器功率器件发热的驱动模式；低效率驱动模式为降低电机效率，使电机本体和驱动控制器功率器件发热以加热电机本体和驱动控制器的驱动模式。

2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，还包括：

电流分配器，与所述温度控制器连接，用于接收所述温度控制器发送的控制指令，将电机电流指令分解为与旋转磁场平行的直轴电流指令和与旋转磁场正交的交轴电流指令，并接入电机的驱动控制器；其中，在高效率驱动模式时，所述电流分配器选择电机效率最高的直轴/交轴电流比例进行控制；在低效率驱动模式时，所述电流分配器改变该直轴/交轴电流比例，增加电机的发热。

3.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，还包括：

电压控制器，与所述温度控制器连接，用于接收所述温度控制器发送的控制指令，生成交流电压幅值和频率指令并接入电机的驱动控制器；其中，在高效率驱动模式时，选择电机效率最高的交流电压幅值和频率指令控制；在低效率驱动模式时，采用电机效率低的交流电压幅值和频率指令控制，增加电机的发热。

4.一种电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将电机设置为至少两种驱动模式：高效率驱动模式和低效率驱动模式；其中，高效率驱动模式为提高电机效率，减少电机本体和驱动控制器功率器件发热的驱动模式；低效率驱动模式为降低电机效率，使电机本体和驱动控制器功率器件发热以加热电机本体和驱动控制器的驱动模式；

采集电机本体及驱动控制器的环境温度；

将采集的电机本体及驱动控制器的环境温度与设定的目标温度进行比较；

在电机本体的温度及驱动控制器的环境温度达到设定的目标温度时，采用高效率驱动控制模式；否则，采用低效率工作模式。

5.根据权利要求4所述的电机控制方法，其特征在于，在将电机设置为高效率驱动模式和低效率驱动模式的步骤中，将电机电流分解为与旋转磁场平行的直轴电流和与旋转磁场正交的交轴电流，以进行电流控制。

6.根据权利要求5所述的电机控制方法，其特征在于，在高效率驱动模式时，选择电机效率最高的直轴/交轴电流比例进行控制；在低效率驱动模式时，改变该直轴/交轴电流比例，增加电机的发热。

7.根据权利要求4所述的电机控制方法，其特征在于，在高效率驱动模式时，选择电机效率最高的电压指令控制方式；在低效率驱动模式时，采用电机效率低的电压指令控制方式，增加电机的发热。

8.根据权利要求4所述的电机控制方法，其特征在于，电机本体的温度、驱动控制器的环境温度通过一个或多个温度传感器获得，或者采用间接推算的方式获得。