CN105844030B - 一种永磁同步电机转子温度在线估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机转子温度在线估算方法。在不大幅增加硬件成本的基础上，使用软件算法估算永磁同步电机转子温度。通过检测永磁同步电机的三相电流、线电压、转子位置及速度、定子温度等变量可实现对永磁同步电机转子温度的实时监控。实现了电机转矩随温度变化的补偿功能及防止电机永磁体退磁的功能。也为其他需要永磁同步电机转子永磁体温度的功能或设备提供温度数据。减少使用温度传感器观测永磁同步电机转子永磁体带来的成本的增加及故障率的增加。

Description

一种永磁同步电机转子温度在线估算方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地说，具体涉及一种永磁同步电机转子温度在线估算方法。

背景技术

电动汽车、混合动力汽车主要以永磁同步电机作为动力装置，永磁同步电机的永磁体特性随着温度的变化而改变，这一方面影响了永磁同步电机的转矩输出能力，随着温度的升高，永磁同步电机转矩输出能力下降；另一方面当永磁同步电机转子永磁体温度过高而超过某一临界温度，永磁体会发生退磁现象，会对永磁同步电机造成不可逆的损害。因此时刻监控永磁同步电机转子温度是十分必要的。

目前监控永磁同步电机转子永磁体温度主要使用安装基于硬件的温度传感器的方法。由于永磁同步电机转子工作时处于旋转状态，温度传感器信号需要通过复杂方法传导出来。使用温度传感器不仅增加了成本，而且由于转子运转，带来了更高的系统故障率。

专利CN 102564630 A汽车电机转子温度的测量装置提出了一种电机转子温度的测量装置，使用带有热敏部件的温度传感器，将传感器置于转子永磁体中，随着转子永磁体温度发生变化温度传感器的热敏部件电阻发生变化，输出不同的信号，对应不同的温度。通过监控输出信号的变化可以监控电机转子温度的变化。通过硬件测量电机转子温度，增加了系统成本，同时由于温度传感器安装在转子永磁体中，在高速旋转环境下故障率较高。

专利CN 104158463 A一种永磁同步电机转子温度检测方法及系统提出了一种永磁同步电机的转子温度检测方法及系统，该系统基于转子永磁体温度与磁链的对应关系，利用A相电流B相电流，电感参数，计算得到转子永磁体温度。该专利使用数学模型估算转子永磁体温度，但在计算过程中使用的αβ轴电压U_αU_β指令未考虑因逆变器的非理想特性及PWM调制的死区特性导致的电压损耗，会导致温度估算准确性的降低。

发明内容

为改善传统转子温度监控的缺点和弊端，本发明提供了一种不使用温度传感器估测永磁同步电机转子温度的方法。在不大幅增加硬件成本的基础上，使用软件算法估算永磁同步电机转子温度，通过检测电机线电压并经过变换得到dq轴电压进行温度估算，提高温度估算的准确性。

由于永磁同步电机的转子永磁体磁链参数与其温度相关，随着永磁体温度的升高，磁链逐渐减小。知道了磁链与温度的对应关系，可以通过观测永磁体磁链参数的变化推算永磁体的温度。通过建立永磁同步电机数学模型，并监控电机相关电流电压，观测永磁体磁链的变化，可进一步估算转子永磁体温度。

为了实现上述目的，本发明提供的一种永磁同步电机转子温度在线估算方法，具体步骤如下：

第一步，获取永磁同步电机转子温度与转子永磁体磁链的对应关系，并通过线性拟合得到转子温度与磁链对应关系式：

其中T_r为转子温度，T_n为温度，Δψ_f为随转子温度变化永磁体磁链的变化量，K_br为拟合曲线斜率；

第二步，由电流传感器获取永磁同步电机三相电流i_a，i_b，i_c，然后经过Clarke变换及Park变换得到永磁同步电机的d轴电流i_d，q轴电流i_q；

第三步，通过电压传感器获取电机线电压U_ab，U_bc；

第四步，将电机线电压U_ab，U_bc通过3/2坐标变换：

并经滤波后，得到d轴电压U_d，q轴电压U_q；

第五步，建立永磁同步电机dq轴电压数学模型:

经过公式变换得到dq轴磁链方程：

其中：

永磁同步电机d轴磁链ψ_d，q轴磁链ψ_q，转子电角速度ω，定子电阻R_s，d轴电流i_d，q轴电流i_q，转子磁链ψ_f，d轴电感参数L_d，q轴电感参数L_q，Δψ_d，Δψ_q为估算出电机的磁链参数与T_n下磁链参数的误差值；

第六步，通过永磁同步电机dq轴电压数学模型(4)计算出电机d轴磁链ψ_d，q轴磁链ψ_q；

第七步，根据磁链公式(5)计算某一温度T_n下电机的d轴电流i_d’，q轴电流i_q’；

第八步，对比第二步测得的电机实际dq轴电流i_d，i_q与第七步计算出得dq轴电流i_d’，i_q’，将实际的dq轴电流与计算出的dq轴电流做差，结果输入积分控制器或PI控制器，积分控制器或PI控制器输出的反馈结果Δψ_d，Δψ_q输入到永磁同步电机dq轴电压数学模型中，使得计算出的dq轴电流i_d’，i_q’与实际电流相等，积分控制器的输出结果为永磁同步电机实际dq轴磁链与T_n下磁链值的误差Δψ_d，Δψ_q；

第九步，由公式(5)可以看出转子磁链的变化Δψ_f体现为d轴磁链的变化，即d轴磁链的误差值Δψ_d，知道了Δψ_f，因此可利用转子磁链与温度的对应关系(1)计算出永磁同步电机转子的实际温度。

得到转子温度之后，可以利用转子的温度对电机的转矩输出进行补偿，同时可以监控电机的退磁情况，在电机有退磁风险时减小电机的输出功率以保护永磁同步电机永磁体。

附图说明

图1本发明的一种永磁同步电机转子温度在线估算方法的流程；

图2永磁同步电机转子永磁体磁链与温度对应关系及拟合曲线；

图3永磁同步电机整体控制策略及转子温度估算模块结构；

图4永磁同步电机转子温度估算模块内部结构；

图5永磁同步电机电压数学模型17第一内部结构；

图6永磁同步电机电压数学模型17第二内部结构；

图7积分控制器模块内部结构；

图8温度计算模块内部结构；

图中：永磁同步电机(PMSM)模块1、转子位置传感器2、定子温度传感器3、电压/电流监控模块4、Clarke变换模块5、Park变换模块6、转速计算模块7、转子温度观测模块8、滤波模块9、电压3/2变换模块10、转矩补偿/限制模块11、最大转矩电流比(MTPA)控制模块12、解耦模块13、逆Park变换模块14、空间矢量调制(SVPWM)模块15、IGBT模块16、永磁同步电机电压数学模型17、积分控制器模块18、温度计算模块19、由定子温度查询定子电阻查表模块20、室温T_n＝25℃磁链Ψ_f大小21、积分器模块22、由电流i_d，i_q查询电感L_d，L_q参数查表模块23、由磁链ψ_d，ψ_q查询电感L_d，L_q参数查表模块24。

具体实施方式

结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

图1为本发明提供的一种永磁同步电机转子温度在线估算方法的流程图。

永磁体具有一定的温度特性，永磁体磁链Ψ_f大小随着温度的上升而减小。通过对永磁同步电机永磁体磁链的温度特性的标定可以获得磁链与温度的曲线，如图2所示。由图2可以看出磁链—温度曲线接近一条直线，优选的我们将其进行线性拟合，得到该直线的斜率，此斜率即为永磁体的温度系数K_br，因此永磁体磁链—温度对应关系为：

其中T_r为转子温度；T_n为室温，在本实施例中取室温为25℃；Δψ_f为随转子温度变化永磁体磁链的变化量；K_br为拟合曲线斜率。

建立永磁同步电机电压数学模型，通过获取相关的电流电压量可以估算出永磁体磁链的变化，利用温度—磁链关系可进一步计算出转子永磁体温度数值。

图3所示为永磁同步电机控制策略框图，其中模块8为转子温度观测模块，该模块的输入变量为电机的dq轴电流i_d，i_q；电机的dq轴电压U_d，U_q，电机转子电角速度ω，电机定子绕组温度T_s，输出量为永磁同步电机转子温度T_r。需要注意的是永磁同步电机控制策略并非图3所示唯一一种，类似的能够提供上述模块输入变量的控制策略都适用。

获取dq轴电压指令U_d，U_q以及dq轴电流i_d，i_q，需要监控电机相电流i_a，i_b，i_c和电机线电压U_ab，U_bc。其中三相电流由安装在电机三相线的电流传感器模块获得，电机线电压由安装在驱动电路上的电压传感器获得。对于三相电流i_a，i_b，i_c需要经过Clarke变换和Park变换，得到dq轴电流i_d，i_q，如图3所示的模块5，模块6。其中三相电流的Clarke变换的方程如下，：

Park变换方程如下：

为获得d轴电压U_d，q轴电压U_q，需经过3/2坐标变换，如图3所示的模块10，3/2变换方程如下：

其中θ为转子电角度位置。

模块9为滤波模块，对3/2变换得到的dq轴电压进行滤波，得到U_d，U_q。

永磁同步电机定子温度T_s由安装在电机定子绕组中的温度传感器3获得。

永磁同步电机转子位置θ由安装在电机轴端的位置传感器获得，该传感器可以是绝对位置传感器，如旋转变压器等，也可以是相对位置传感器，如光电编码器等。电机的转子电角速度ω由转速计算模块7计算得到。

图4所示为永磁同步电机转子温度估算模块内部结构，该模块由永磁同步电机电压数学模型17，积分控制器模块18，温度计算模块19，三个模块构成。

永磁同步电机电压数学模型模块的内部结构(第一内部结构)如图5所示。永磁同步电机数学模型模块的数学描述为永磁同步电机dq轴电压方程：

其中R_s为定子电阻，ψ_d为d轴磁链，ψ_q为q轴磁链

将方程(3)作简单的变换可计算出转子磁链参数的变化：

永磁同步电机数学模型内部结构符合公式(4)的计算过程。其中U_d，U_q由电压监控模块4经3/2变换并滤波后得到。由于定子电阻参数R_s与绕组温度T_s相关，因此需要监控定子绕组温度，并通过查表模块20查得定子电阻相应数值。

Δψ_d，Δψ_q为电机实际的磁链参数与室温25℃下磁链参数的误差，该误差由积分控制器模块18计算反馈输出。

积分器模块22实现公式(4)的计算过程得到的计算结果即为永磁同步电机dq的磁链ψ_d，ψ_q。

由公式：

可知，永磁同步电机dq的磁链ψ_d，ψ_q与dq轴电流i_d’，i_q’符合公式(5)所示的对应关系。但由于永磁同步电机的dq轴电感参数L_d，L_q不仅随温度变化，而且该参数随着电流的大小和饱程度会发生较大变化。因此ψ_d，ψ_q与i_d’，i_q’的对应关系为非线性关系。

为估算出转子永磁体实际温度，需要估算出转子永磁体磁链的变化量，为计算磁链变化量，本实施例引入了一组室温T_n下实际测定的ψ_d，ψ_q与i_d’，i_q’的非线性对应关系，由该对应关系得到该温度所对应的dq轴电流数值。在本实施例中室温T_n为25℃，测定不同的dq轴磁链ψ_d，ψ_q所分别对应的dq轴电流i_d’，i_q’。如图5中所示的二维查表。

本实施例还提供另外一种获得ψ_d，ψ_q与i_d’，i_q’对应关系的方法，如图6永磁同步电机电压数学模型模块第二内部结构所示。因永磁同步电机的dq轴电感参数L_d，L_q不仅随温度变化，而且该参数随着电流的大小和饱程度会发生较大变化，因此可以标定室温T_n下电感参数随电流的变化关系，在本实施例中室温T_n为25℃。利用公式(5)计算ψ_d，ψ_q与i_d’，i_q’对应关系。标定的结果可以表示为i_d，i_q与电感之间的关系，或者使用电流矢量i_s，电流矢量角度与电感之间的关系。使用该方法也可以得到该温度所对应的dq轴电流数值。

图7所示为积分控制器模块18的内部结构。积分控制器模块的输入变量分别为永磁同步电机实际dq轴电流i_d，i_q和室温T_n下对应转子磁链的dq轴电流i_d’，i_q’。其中i_d，i_q作为输入指令值。积分控制器控制i_d’，i_q’与电流指令值相等，并输出磁链偏差值Δψ_d，Δψ_q作为反馈，该磁链偏差值输入到永磁同步电机数学模型模块17，完成i_d’，i_q’电流的计算。

图8所示为温度计算模块19的内部结构。由公式(5)可知，d轴磁链的变化量Δψ_d即为转子永磁体磁链的变化量Δψ_f。根据温度计算公式(1)：

可以计算出转子永磁体的温度。

在监控到永磁同步电机转子永磁体温度后，将温度值输入转矩补偿/限制模块11，该模块时刻监控转子温度，第一，该模块根据转子温度的变化对转矩指令做相应补偿，保证永磁同步电机转矩输出的准确性；第二，该模块监控转子温度，当温度超过预先设定好的阈值时，限制电机转矩输出，以保证永磁体工作在安全的状态下，降低永磁体退磁风险。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机转子温度在线估算方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步，获取永磁同步电机转子温度与转子永磁体磁链的对应关系，并通过线性拟合得到转子温度与磁链对应关系式：

其中T_r为转子温度，T_n为室温，Δψ_f为随转子温度变化永磁体磁链的变化量，K_br为拟合曲线斜率；

第二步，由电流传感器获取永磁同步电机三相电流i_a，i_b，i_c，然后经过Clarke变换及Park变换得到永磁同步电机的d轴电流i_d，q轴电流i_q；

第三步，通过电压传感器获取电机线电压U_ab，U_bc；

第四步，将电机线电压U_ab，U_bc通过3/2坐标变换：

并经滤波后，得到d轴电压U_d，q轴电压U_q；

其中，其中θ为转子电角度位置；

第五步，建立永磁同步电机dq轴电压数学模型:

经过公式变换得到dq轴磁链方程：

其中：

永磁同步电机d轴磁链ψ_d，q轴磁链ψ_q，转子电角速度ω，定子电阻R_s，d轴电流i_d，q轴电流i_q，转子磁链ψ_f，d轴电感参数L_d，q轴电感参数L_q，Δψ_d，Δψ_q为估算出电机的磁链参数与T_n下磁链参数的误差值；

第六步，通过永磁同步电机dq轴电压数学模型(4)计算出电机d轴磁链ψ_d，q轴磁链ψ_q；

第七步，根据磁链公式(5)计算某一温度T_n下电机的d轴电流i_d’，q轴电流i_q’；

第八步，对比第二步测得的电机实际dq轴电流i_d，i_q与第七步计算出得dq轴电流i_d’，i_q’，将实际的dq轴电流与计算出的dq轴电流做差，结果输入积分控制器或PI控制器，积分控制器或PI控制器输出的反馈结果Δψ_d，Δψ_q输入到永磁同步电机dq轴电压数学模型中，使得计算出的dq轴电流i_d’，i_q’与实际电流相等，积分控制器的输出结果为永磁同步电机估算dq轴磁链与T_n下磁链值的误差Δψ_d，Δψ_q；

第九步，由公式(5)可以看出转子磁链的变化Δψ_f体现为d轴磁链的变化，即d轴磁链的误差值Δψ_d，知道了Δψ_f，因此可利用转子磁链与温度的对应关系(1)计算出永磁同步电机转子的实际温度。