CN105811832B - 永磁同步电机定子温度的估计方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机定子温度的估计方法、装置及系统，其中，该方法包括：将直流电压注入到电机磁场定向控制的定子静止坐标系α轴(即等同于注入到定子绕组的A相轴)；结合注入的所述直流电压对所述电机进行磁场定向矢量控制，并获取所述电机的A相电流；将所述电机的A相电流经过低通滤波器，以确定所述A相电流的直流分量；根据所述直流电压和所述A相电流的直流分量确定所述定子相电阻；根据所述定子相电阻确定所述电机的定子温度的估计值。本发明可消除现有的基于热模型的电机定子温度估计方法以及基于电流注入的电阻估计方法存在的缺陷，并可降低系统成本，提高电机定子温度估计的准确性，并提高永磁同步电机系统可靠性。

Description

永磁同步电机定子温度的估计方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及电机热监测技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机定子温度的估计方法、装置及系统。

背景技术

近年来，随着科技的不断进步以及人们对节能环保的重视，新能源汽车产业得到迅速发展。电机作为电动汽车的主要驱动装置，其性能要求较高。而永磁同步电机因其具有高性能，高效率以及高功率密度的特性，能够较好的满足要求，越来越受到人们的关注。

由于永磁同步电机工作在较强的电磁环境下，其定子绕组所采用的绝缘有机材料随着热作用、电磁以及机械应力的作用而老化，进而使其绝缘能力退化。实践表明过大的热应力是导致定子绕组绝缘退化的主要原因，严重时还会导致永磁体退磁，使电机出现故障。而瞬时过载、过载运行和冷却异常通常会使电机温度超过极限温度，加速定子绕组绝缘老化。因此，为防止电机过热的情况发生，需检测定子绕组的温度。

目前，现有的基于热模型的电机定子温度估计方法与电机结构和电磁特性有关，热网络中所需的热电阻和热电容需要通过电机不同部位的几何形状计算得到。具体来说，现有的一种基于热模型的电机定子温度估计方案是通过构建电机运行时的热模型，估计组件的温度。在其热保护系统中，通过建立交流感应电机的多节点热模型，估计个别组件的温度，实现在必要时限制输出功率的目的。但由于这种基于热网络模型的方法需要多个温度传感器作为基准，传感器安装位置有限，不能全面反映电机内部温度，且成本较高，系统可靠性低。

此外，现有的基于电流注入的电阻估计方法是在矢量控制的转子旋转坐标系下的D轴直流电流中注入与电机定子电流相同频率的交流电流，之后将定子相电流和电流控制回路的输出电压分别经过低通滤波器滤波，得到a相电流的直流分量和相电压的直流分量，进而由欧姆定律可以求出定子绕组的电阻值，最后由金属材料的电阻值与温度的线性关系得到电机温度。然而，该方法一方面不适用于大功率电机，因为大电机的相电阻值一般都小到毫欧级，即注入直流电流到相绕组上形成的直流电压相对于实际定子绕组上的交流相电压幅值会非常小，因此提取出的相电压直流分量误差会非常大，导致电机定子温度估计的准确性低。而且另一方面若注入的信号幅值较大会引起较大的电磁转矩振荡，而减少注入的信号幅值却会在一定程度上降低电阻估计的精度，进而影响电机定子温度估计的准确性。

发明内容

针对现有的基于热模型的电机定子温度估计方法以及基于电流注入的电阻估计方法存在的缺陷，本发明提出如下技术方案：

一种永磁同步电机定子温度的估计方法，包括：

将直流电压ΔV_dc注入到电机磁场定向控制的定子静止坐标系α轴；

结合注入的所述直流电压ΔV_dc对所述电机进行磁场定向矢量控制，并获取所述电机的A相电流i_a；

将所述电机的A相电流i_a经过低通滤波器，以确定所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}；

根据所述直流电压ΔV_dc和所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}确定所述定子相电阻R_{s_est}；

根据所述定子相电阻R_{s_est}确定所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}。

可选地，所述定子相电阻R_{s_est}根据以下公式计算得到：

可选地，所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}根据以下公式计算得到：

其中，R₀为所述定子绕组的温度为T₀时对应的电阻，α₀为电阻温度系数。

可选地，所述根据注入的所述直流电压ΔV_dc对所述电机的电机矢量进行控制，包括：

根据v_α0和注入的所述直流电压ΔV_dc确定所述定子v_α；

将v_α和v_β作为静止两相坐标系的定子电压给定值来执行空间矢量SVPWM控制，以产生三相逆变器所需的控制信号；

其中，所述v_α0和所述v_β为电流调节器的输出经过反旋转变换得到的定子静止坐标系下的电压分量。

一种永磁同步电机定子温度的估计装置，包括：

直流电压注入单元，用于将直流电压ΔV_dc注入到电机定子静止坐标系下α轴；

电机矢量控制单元，用于对所述电机的进行磁场定向矢量控制，并获取所述电机的A相电流i_a；

直流分量确定单元，用于将所述电机的A相电流i_a经过低通滤波器，以确定所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}；

相电阻确定单元，用于根据所述直流电压ΔV_dc和所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}确定所述定子相电阻R_{s_est}；

定子温度确定单元，用于根据所述定子相电阻R_{s_est}确定所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}。

可选地，所述定子相电阻R_{s_est}根据以下公式计算得到：

可选地，所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}根据以下公式计算得到：

其中，R₀为所述定子绕组的温度为T₀时对应的电阻，α₀为电阻温度系数。

可选地，所述电机矢量控制单元，进一步用于：

根据v_α0和注入的所述直流电压ΔV_dc确定所述定子v_α；

将v_α和v_β作为静止两相坐标系的定子电压给定值来执行空间矢量SVPWM控制，以产生三相逆变器所需的控制信号；

其中，所述v_α0和所述v_β为电流调节器的输出经过反旋转变换得到的定子静止坐标系下的电压分量。

一种永磁同步电机定子温度的估计系统，包括直流电源、控制器、三相逆变器和永磁同步电机；

所述直流电源与所述三相逆变器相连；所述控制器与所述三相逆变器相连；所述三相逆变器与所述永磁同步电机相连。

本发明的永磁同步电机定子温度的估计方法、装置及系统，通过仅在电机磁场定向控制的定子静止坐标系下的α轴注入直流电压，再确定直流相电压和直流相电流分量，进而确定定子绕组电阻，并由定子绕组电阻与其温度关系，求得定子绕组温度，消除了现有的基于热模型的电机定子温度估计方法以及基于电流注入的电阻估计方法存在的缺陷，可降低系统成本，并提高电机定子温度估计的准确性，提高系统可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的永磁同步电机定子温度的估计方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的永磁同步电机定子温度的估计装置的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的永磁同步电机定子温度的估计系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，电机定子绕组通常由一系列相互绝缘的铜线圈组成，而铜的阻值与其温度有关，具有如下线性关系：R_S＝R_S0+α₀R_S0(T_S-T₀)，其中R_S0为绕组温度为T₀时铜的电阻，R_S为绕组温度为T_S时铜的电阻，α₀为电阻温度系数，查资料可知金属铜的α₀值为0.00393。因此，仅需在线估计绕组电阻值，就能估算出其温度。现有的一种技术方案在矢量控制的转子旋转坐标系下的D轴直流电流中注入与电机定子电流相同频率的交流电流，之后将定子相电流i_a和电流控制回路的输出电压v_α分别经过低通滤波器滤波，得到A相电流的直流分量I_{a_dc}和相电压的直流分量V_{a_dc}，进而由欧姆定律可以求出定子绕组的电阻值(R_s＝V_{a_dc}/I_{a_dc})，最后由金属材料的电阻值与温度的线性关系(R_S＝R_S0+αR_S0(T_S-T₀))得到电机温度。

本发明提出一种新的注入方法实现定子绕组温度在线估计，即将一个直流电压信号注入到电机磁场定向矢量控制的定子静止坐标系下α轴交流信号中，避开了在交流相电压中获取定子直流电压分量的难度，直接由注入的直流电压值除以A相电流的直流分量得到定子绕组电阻，然后由定子绕组的温度与电阻的线性关系获得定子绕组温度。具体实施例如下：

图1为本发明一个实施例的永磁同步电机定子温度的估计方法的流程图；如图1所示，该方法包括：

S1：将直流电压ΔV_dc注入到电机矢量控制的定子静止坐标系下α轴(等同于注入到定子绕组的A相轴)；

S2：结合注入的所述直流电压ΔV_dc对所述电机进行磁场定向矢量控制，并获取所述电机的A相电流i_a；

S3：将所述电机的A相电流i_a经过低通滤波器，以确定所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}；

S4：根据所述直流电压ΔV_dc和所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}确定所述定子相电阻R_{s_est}；

S5：根据所述定子相电阻R_{s_est}确定所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}。

本实施例的永磁同步电机定子温度的估计方法，通过仅在电机定子静止坐标系下的α轴注入直流电压，再确定直流相电压和直流相电流分量，进而确定定子绕组电阻，并由定子绕组电阻与其温度关系，求得定子绕组温度，消除了现有的基于热模型的电机定子温度估计方法以及基于电流注入的电阻估计方法存在的缺陷，可降低系统成本，并提高系统可靠性，提高电机定子温度估计的准确性。

作为本实施例的优选，所述定子相电阻R_{s_est}根据以下公式计算得到：

作为本实施例的优选，所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}根据以下公式计算得到：

其中，R₀为所述定子绕组的温度为T₀时对应的电阻，α₀为电阻温度系数。

作为本实施例的优选，所述结合注入的所述直流电压ΔV_dc对所述电机进行磁场定向矢量控制，包括：

根据v_α0和注入的所述直流电压ΔV_dc确定所述定子v_α；

将v_α和v_β作为静止两相坐标系的定子电压给定值来执行空间矢量SVPWM控制，以产生三相逆变器所需的控制信号；

其中，所述v_α0和所述v_β为电流调节器的输出经过反旋转变换得到的定子静止坐标系下的电压分量。

图2为本发明一个实施例的永磁同步电机定子温度的估计装置的结构示意图；如图2所示，该装置包括：

直流电压注入单元10，用于将直流电压ΔV_dc注入到电机矢量控制的定子静止坐标系下的α轴；

电机矢量控制单元20，用于对所述电机的进行矢量控制，并获取所述电机的A相电流i_a；

直流分量确定单元30，用于将所述电机的A相电流i_a经过低通滤波器，以确定所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}；

相电阻确定单元40，用于根据所述直流电压ΔV_dc和所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}确定所述定子相电阻R_{s_est}；

定子温度确定单元50，用于根据所述定子相电阻R_{s_est}确定所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}。

作为本实施例的优选，所述定子相电阻R_{s_est}根据以下公式计算得到：

作为本实施例的优选，所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}根据以下公式计算得到：

其中，R₀为所述定子绕组的温度为T₀时对应的电阻，α₀为电阻温度系数。

作为本实施例的优选，所述电机矢量控制单元20，进一步用于：

根据v_α0和注入的所述直流电压ΔV_dc确定所述定子v_α；

将v_α和v_β作为静止两相坐标系的定子电压给定值来执行空间矢量SVPWM控制，以产生三相逆变器所需的控制信号；

其中，所述v_α0和所述v_β为电流调节器的输出经过反旋转变换得到的定子静止坐标系下的电压分量。

图3为本发明一个实施例的永磁同步电机定子温度的估计系统的结构示意图；如图3所示，主要包括直流电源，三相逆变器，控制器和永磁同步电机(PMSM)等。本系统采用按磁场定向的矢量控制系统，以电机的电流和实时转速作为控制系统的输入参数，通过输出空间矢量脉宽调制信号控制永磁同步电机。为了提高定子电阻估计的精度，在电流反馈环中施加高通滤波器以消除对ΔV_dc扰动补偿所产生的影响。如图3所示，将检测到的三相电流(实际中仅需检测两相，如图所示i_a和i_b)经过3/2变换，然后将3/2变换产生的数值通过高通滤波器滤波得到i_α和i_β，再经过旋转变换(2s/2r)得到dq坐标系上的电流i_sd和i_sq，其中i_sd和i_sq分别为转子旋转坐标系下定子电流的直轴分量与交轴分量。采用PI调节构成电流闭环控制，电流调节器的输出作为定子电压的给定值V_{sd_ref}和V_{sq_ref}，之后经过反旋转变换(2s/2r)得到v_α0和v_β，不同于基于电流注入的定子绕组电阻估计方法，本发明在反旋转变换(2s/2r)和SVPWM控制器之间注入直流电压信号，如图3所示的ΔV_dc，v_α0和ΔV_dc相加得到v_α，v_α和v_β作为静止两相坐标系的定子电压给定值，再经过SVPWM控制器产生控制信号，控制三相逆变器为永磁同步电机供电。

由式(1)可知仅仅将直流电压注入到永磁同步电机的α轴等效于将直流电压注入到电机的相电压。

本实施例中，令所注入的直流电压信号ΔV_dc直接等于相电压直流分量。另外由电流传感器采样得到的电机定子相电流i_a经过低通滤波器滤波可得到相电流直流分量i_{a_dc}，之后由(2)和(3)可分别估计得到电机定子绕组电阻的估计值R_{s_est}和温度估计值T_{s_est}，其中温度为T₀时对应的电阻为R₀，温度为T时对应的电阻为R(T)。由于本发明直流相电压易于获取，其值直接取自所注入的直流电压信号，不需要任何硬件，也不需要进行电压采样与滤波等软件处理，所以本方法实现简单，系统成本低并且精度较高。

R(T)＝R₀(1+α₀(T-T₀)) (3)

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机定子温度的估计方法，其特征在于，包括：

将直流电压ΔV_dc注入到电机磁场定向控制的定子静止坐标系α轴；

结合注入的所述直流电压ΔV_dc对所述电机进行磁场定向矢量控制，并获取所述电机的A相电流i_a；

将所述电机的A相电流i_a经过低通滤波器，以确定所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}；

根据所述直流电压ΔV_dc和所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}确定所述定子相电阻R_{s_est}；

根据所述定子相电阻R_{s_est}确定所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定子相电阻R_{s_est}根据以下公式计算得到：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}根据以下公式计算得到：

其中，R₀为所述定子绕组的温度为T₀时对应的电阻，α₀为电阻温度系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据注入的所述直流电压ΔV_dc对所述电机的电机矢量进行控制，包括：

根据v_α0和注入的所述直流电压ΔV_dc确定所述定子v_α；

将v_α和v_β作为静止两相坐标系的定子电压给定值来执行空间矢量SVPWM控制，以产生三相逆变器所需的控制信号；

其中，所述v_α0和所述v_β为电流调节器的输出经过反旋转变换得到的定子静止坐标系下的电压分量。

5.一种永磁同步电机定子温度的估计装置，其特征在于，包括：

直流电压注入单元，用于将直流电压ΔV_dc注入到电机定子静止坐标系下α轴；

电机矢量控制单元，用于对所述电机的进行磁场定向矢量控制，并获取所述电机的A相电流i_a；

直流分量确定单元，用于将所述电机的A相电流i_a经过低通滤波器，以确定所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}；

相电阻确定单元，用于根据所述直流电压ΔV_dc和所述A相电流i_a的直流分量i_{a_dc}确定所述定子相电阻R_{s_est}；

定子温度确定单元，用于根据所述定子相电阻R_{s_est}确定所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述定子相电阻R_{s_est}根据以下公式计算得到：

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电机的定子温度的估计值T_{s_est}根据以下公式计算得到：

其中，R₀为所述定子绕组的温度为T₀时对应的电阻，α₀为电阻温度系数。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电机矢量控制单元，进一步用于：

根据v_α0和注入的所述直流电压ΔV_dc确定所述定子v_α；

将v_α和v_β作为静止两相坐标系的定子电压给定值来执行空间矢量SVPWM控制，以产生三相逆变器所需的控制信号；

其中，所述v_α0和所述v_β为电流调节器的输出经过反旋转变换得到的定子静止坐标系下的电压分量。