CN105846737A - 控制绕线式转子同步电机的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制绕线式转子同步电机的系统和方法，并且更具体而言，涉及在转子内产生过热时增加绕线式转子同步电机的额定工作时间而没有电机的输出限制的控制绕线式转子同步电机的系统和方法。也就是说，本公开提供如下的控制绕线式转子同步电机的系统和方法，该系统和方法通过根据目的可切换的二分化图配置电流图，从而根据工作条件选择性使用电流指令图，以增加绕线式转子同步电机的额定工作时间而没有电机的输出限制。

Description

控制绕线式转子同步电机的系统和方法
技术领域
本公开涉及控制绕线式转子同步电机的系统和方法，并且更具体而言，涉及当在转子内产生过热时增加绕线式转子同步电机的额定工作时间而没有电机的输出限制的控制绕线式转子同步电机的系统和方法。
背景技术
该部分的说明仅仅提供关于本公开的背景信息，并且可能不构成现有技术。
环保车辆(诸如混合动力车辆和电动车辆)作为通过使用驱动电机作为动力源来驱动的车辆具有诸如电动车辆(EV)模式(该模式是只使用驱动电机的动力的纯电动车辆模式)和混合动力车辆(HEV)模式(其使用发动机和所驱动电机两者的旋转力作为动力)的驱动模式。
作为被采用为环保车辆的驱动动力源的驱动电机，主要使用永磁式同步电机，但是用于制造永久磁铁等的稀土(Nd，Dy)金属在一些国家的存在很有限。因此，考虑到所述稀土金属非常昂贵，对于可替代永磁式同步电机的绕线式转子同步电机(WRSM)的研究和发展正在进行中。
绕线式转子同步电机的转子具有如下结构：环氧树脂模制材料装载在线圈和末端线圈封盖(其附接在转子的两端之间)之间。
然而，由于转子线圈被环氧树脂模制材料和末端线圈封盖密封，绕线式转子同步电机具有如下缺点：由转子产生的热(铁损+铜损)不容易释放到外面，并且因此转子的温度明显增加。
因此，由于转子是一个旋转体，作为冷却转子的方法，不能采用使用冷却介质的直接冷却方案(例如，水冷却等)，而是采用通过在当前定子壳体中形成冷却通道并且提供冷却水进行热传递(热交换)来冷却转子的间接冷却方案。
但是，因为与永磁式同步电机不同，绕线式转子同步电机是以将线圈缠绕在转子芯上的结构来制造的，绕线式转子同步电机具有如下缺点：由直流(DC)场电流的传导造成的铜损添加到转子铁芯损耗，并且因此，转子的温度明显增加，并且由于转子的过热而导致的输出限制(outputlimit)频繁出现在具有更大直流场电流的工作区域中。
由于转子的过热引起的输出限制会使驱动电机的额定工作时间减少，并且使车辆的动力和驱动性能变差(例如，上坡路动力不足和突然加速驱动限制)。
关于绕线式转子同步电机的温度分布，其中发热值(heating value)比冷却值大的转子线圈部分处的温度最高。这是因为由于大的线圈阻抗，导致铜损发热值在场电流传导过程中增加。
结果，如示出转子的额定特征的附图6的曲线图所示，可以看出，随着场电流变大，铜损发热值变大并且额定工作时间缩短。
特别地，当输入15A(安培)或更大的场电流时，由于在转子线圈部分的与发热值快速增加相对的冷却值的不足，热不会快速消散。结果，额定工作时间立即受到限制。
结果，由于15A或更大的大场电流用于绕线式转子同步电机的低速和高扭矩(例如，在长的上坡路上慢速行驶)区域以及高速和高动力(高速快速加速)区域，所以由于转子在连续工作中的过热保护，导致出现输出限制。
发明内容
本公开致力于解决上述与现有技术相关的问题。
本公开被设计为解决该问题并且本发明致力于提供控制绕线式转子同步电机的系统和方法，该系统和方法通过根据目的可切换的二化分图(dualized map)配置电流指令图以根据工作条件选择性使用电流指令图，从而在产生转子的过热时，增加绕线式转子同步电机的额定工作时间而没有电机的输出限制。
在一方面，本公开提供一种控制绕线式转子同步电机的系统，其包括：逆变器控制单元，包括电流指令图(current command map)、基于来自电流指令图的转子电流指令输出脉冲宽度调制(PWM)信号的场电流控制器和基于来自电流指令图的定子电流指令输出PWM信号的定子电流控制器；以及逆变器电力模块单元，基于来自场电流控制器和定子电流控制器的最终PWM信号切换电压，以便将电压施加到并将电流传导到电机的定子和转子上；并且电流指令图二分化为额定工作电流指令图和最大效率电流指令图，当产生转子的过热时，可切换额定工作电流指令图和最大效率电流指令图。
在一个实施方式中，该系统可进一步包括电流图切换单元，接收转子的当前温度，以便选择并将电流指令图切换为额定工作电流指令图或最大效率电流指令图。
在另一方面，本公开提供一种控制绕线式转子同步电机的方法，其包括：首先，根据驱动器所需扭矩，在电流指令图的最大效率电流指令图中接收扭矩指令T*、电机转速ω和基准电压Vdc；在当前转子温度等于或小于转子过热保护起始温度时，选择并维持最大效率电流指令图，以便为驱动电机的高效控制选择最大效率电流指令工作点；并且在当前转子温度大于转子过热保护起始温度时，将最大效率电流指令图切换为额定工作电流指令图，以便选择额定工作电流指令工作点。
在一个实施方式中，当选择并保持最大效率电流指令图时，从最大效率电流指令图中输出转子场电流指令if*和定子d/q-轴电流指令idq*；在定子电流控制器中基于定子d/q-轴电流指令idq*顺序生成电压指令(定子vuvw*)和最终PWM信号，同时在场电流控制器中基于转子场电流指令if*顺序生成电压指令(场vf*)和最终PWM信号；以及随后从场电流控制器和定子电流控制器中将最终PWM信号输出至逆变器电力模块单元。
在另一个实施方式中，当最大效率电流指令图切换为额定工作电流指令图时，从额定工作电流指令图中输出转子场电流指令if*和定子d/q-轴电流指令idq*；在定子电流控制器中基于定子d/q-轴电流指令idq*顺序生成电压指令(定子vuvw*)和最终PWM信号，同时在场电流控制器中基于转子场电流指令if*顺序生成电压指令(场vf*)和最终PWM信号；以及随后从场电流控制器和定子电流控制器中将最终PWM信号输出至逆变器电力模块单元。
通过本文提供的描述，进一步的应用领域将变得明显。应该理解，描述和具体的实例旨在说明性的目的，而不旨在限制本公开的范围。
通过前面提到的问题解决方法，本发明提供以下效果。
第一，当产生转子的过热时，场电流可减小，并且铜损发热值可减小而没有驱动电机的输出限制，并且绕线式转子同步电机的额定工作时间可增加。
第二，可防止由于转子的过热可能产生的问题(例如，在产生转子的过热时由于输出限制而不能在长的上坡路上行驶，以及快速加速行驶限制)并且实际驾驶性能(例如，可对驾驶员的意愿和期望做出反映的车辆的响应能力)提高。
第三，不需要补充和增加单独的硬件冷却装置来防止转子的过热，从而抑制电机组件制造成本的升高。
第四，电机的耐久年限可被提高，因为与现有技术相比转子的温度可被降低。
其他方面和本公开的实施方式在下文中讨论。
应该理解，本文使用的术语“车辆”或“用车辆运载的”或其他类似的术语通常包括机动车辆，诸如客车(包括运动型多用途车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆)、包括各种船只和舰船的船舶、飞行器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆以及其他替代燃料车辆(例如，源自除石油以外的资源的燃料)。如本文中提到的，混合动力车辆为具有两个或更多个动力源的车辆，例如，汽油动力和电动力车辆。
附图说明
为了很好地理解本公开，现将参照附图通过实例的方式描述本公开的各种形式，其中：
图1为绕线式转子同步电机的控制配置图；
图2为其中绕线式转子同步电机的电流指令图被二分化的控制配置图；
图3为示出当绕线式转子同步电机的工作点从最大效率图工作点切换至额定工作图工作点时电流指令的位移(displacement)的曲线图；
图4为示出二分化电流指令图以用于绕线式转子同步电机的驱动控制的构建过程的流程图；
图5为示出通过使用二分化电流指令图来控制绕线式转子同步电机的过程的流程图；以及
图6为示出绕线式转子同步电机的转子额定特性的曲线图。
应该理解，附图不一定按比例绘制，而是呈现说明本发明的基本原则的各种优选特征的稍微简化的表示。本文讨论的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分取决于具体目的应用和使用环境。
在图中，贯穿附图的几个图，相似的参考标号表示本公开的相同或等同的部分。
本文所描述的附图仅出于说明目的，而并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
在下文中，将详细参照本公开的各个实施方式，本公开的实例在附图中示出并描述如下。尽管将结合示例性实施方式对本公开进行描述，但是，将理解的是，本描述并不旨在将本公开限于这些示例性实施方式。相反，本公开旨在不仅涵盖这些示例性实施方式，而且涵盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代、修改、等同物和其他实施方式。
在下文中，将参照附图对本公开的实施方式进行详细描述。
图1为绕线式转子同步电机的控制配置图。
如图1所示，作为考虑到绕线式转子同步电机30的转子过热现象用于提高额定可操作性的控制系统配置，一种控制绕线式转子同步电机30的装置包括逆变器控制单元10和逆变器电力模块单元(inverter powermodule unit)20。
逆变器控制单元10被配置为包括：3D电流指令图11(具有扭矩指令T*、电机转速ω和基准电压Vdc作为输入)、基于来自电流指令图11的转子电流指令输出PWM信号的场电流控制器14和基于来自电流指令图11的定子电流指令输出PWM信号的定子电流控制器15。
为了驱动绕线式转子同步电机30，首先，从具有扭矩指令T*、电机转速ω和基准电压Vdc作为输入的3D电流指令图11中选择定子d/q-轴电流指令idq*和转子场电流指令if*。
随后，基于来自电流指令图11的转子场电流指令if*在场电流控制器14中顺序生成电压指令(场vf*)和最终PWM信号并且将最终PWM信号从场电流控制器14输出至述逆变器电力模块单元20。
同时，基于来自电流指令图11的定子d/q-轴电流指令idq*在定子电流控制器15中顺序生成电压指令(定子vuvw*)和最终PWM信号并且将最终PWM信号从定子电流控制器15输出至逆变器电力模块单元20。
因此，逆变器电力模块单元20基于每个PWM信号切换电压，结果，电压被施加、电流被传导至驱动电机30的定子和转子，因而输出需要的电机扭矩。
电流指令图被二分化为额定工作电流指令图(其是场电流最小工作图)和最大效率电流指令图(其是基准电流图)，这些电流图可根据是否产生转子的过热进行切换。
为此，如图2所示，具有扭矩指令T*、电机转速ω和基准电压Vdc作为输入的3D电流指令图被二分化为额定工作电流指令图12(其是场电流最小工作图)和最大效率电流指令图13(其是基准电流图)。
进一步地，电流图切换单元16被连接至额定工作电流指令图12和最大效率电流指令图13的输出终端，并且电流图切换单元16接收转子的当前温度以便选择额定工作电流指令图12和最大效率电流指令图13中的一个并将电流指令图切换为两者之一。
因此，电流图切换单元16主要执行为驱动电机的高效控制选择最大效率电流指令图13的控制，以及相反在特定工作条件下(转子过热的产生)执行将最大效率电流指令图13切换为额定工作电流指令图12(其是场电流最小工作图)的控制。
图3为示出当最大效率电流指令图13上的最大效率图工作点切换至额定工作电流指令图12上的额定工作图工作点时电流指令在等效扭矩曲线上的位移的曲线图。
如图3所示，当最大效率电流指令图13上的最大效率图工作点切换至额定工作电流指令图12上的额定工作图工作点时，可以看出场(转子)电流减小并且定子电流增加。
也就是说，可以看出，当场电流指令减小时，定子电流会增加以保持同样的扭矩(输出)，并且在这种情况下，电机效率稍微降低。
当产生转子的过热时，通过切换额定工作电流指令图12(其是场电流最小工作图)，可保持驱动电机所需要的输出和扭矩，并且场电流可通过铜损发热值的减少而减少而没有输出限制(降低)，并且可保护转子免于过热。
同时，可通过执行电机特性测试来构建将所述电流指令图二分化为额定工作电流指令图12(其是最小工作图)和最大效率电流指令图13(其是基准电流图)的方法。
如图4的流程图所示，可通过执行电机特性测试(诸如执行每个电流大小和相位角的电流控制)的过程、通过该测试获取的测试数据测量电机输出和扭矩的过程、在将测量的电机的最大效率工作点输入在通用电流图提取工具(general current map extraction tool)中的条件下生成最大效率电流指令图的过程、以及在将测量的电机的场电流最小工作点输入通用电流图提取工具的条件下生成额定工作电流指令图(其是场电流最小工作图)的过程，来将电流指令图二分化为额定工作电流指令图和最大效率电流指令图。
在本文中，使用额定工作电流指令图和最大效率电流指令图对绕线式转子同步电机的操作控制过程将会在下文描述。
图5为通过使用二分化电流指令图来控制绕线式转子同步电机的过程的流程图。
当用于控制绕线式转子同步电机的3D电流指令图被二分化为额定工作电流指令图12(其是场电流最小工作图)和最大效率电流指令图13(其是基准电流图)时，将驱动器所需要的扭矩和操作控制输入至电流指令图。
基于驱动器需要的扭矩的扭矩指令T*、电机转速ω和基准电压Vdc首先被输入在最大效率电流指令图(其是电流指令图中的基准电流图)。
在这种情况下，在当前转子温度等于或小于过热保护起始温度时，电流图切换单元16确定当前工作条件不是特点工作条件(产生转子的过热)，从而执行选择和保持最大效率电流指令图13，以选择用于驱动电机的高效控制的最大效率电流指令工作点。
随后，基于从最大效率电流指令图13输出的转子场电流指令if*在场电流控制器14中顺序生成电压指令(场vf*)和最终PWM信号，并且将最终PWM信号从场电流控制器14输出至述逆变器电力模块单元20。
同时，基于从最大效率电流指令图13输出的的定子d/q-轴电流指令idq*在定子电流控制器15中顺序生成电压指令(定子vuvw*)和最终PWM信号，并且将最终PWM信号从定子电流控制器15输出至逆变器电力模块单元20。
因此，逆变器电力模块单元20基于每个PWM信号切换电压，结果，电压和电流被施加到驱动电机30的定子和转子，因而输出需要的电机扭矩。
相反，当电流转子温度等于或大于转子过热保护起始温度时，电流图切换单元16确定当前工作条件是特定工作条件(产生电子的过热)，从而执行选择额定工作电流指令图12(其是场电流最小工作图)的切换，以选择额定工作电流指令工作点。
随后，基于从额定工作电流指令图12输出的转子场电流指令if*在场电流控制器14中顺序生成电压指令(场vf*)和最终PWM信号，并且将最终PWM信号从场电流控制器14输出至逆变器电力模块单元20。
同时，基于从额定工作电流指令图12输出的定子d/q-轴电流指令idq*在定子电流控制器15中顺序生成电压指令(定子vuvw*)和最终PWM信号，并且将最终PWM信号从定子电流控制器15输出至逆变器电力模块单元20。
同样地，逆变器电力模块单元20基于每个PWM信号切换电压，结果，电压和电流被施加到驱动电机30的定子和转子，因而输出需要的电机扭矩。
如此，当产生转子过热时，将电流指令图切换至最大效率电流指令图或额定工作电流指令图以便保护转子免于过热，同时通过额定工作电流指令图满足电机需要的输出和扭矩，而没有输出限制(降低)。
换句话说，当产生转子过热时，在最大效率电流指令图13上的最大效率图工作点切换至额定工作电流指令图12上的额定工作图工作点时，由于定子电流增加而场(转子)电流减小，即，由于当场电流指令减小时，为了保持同样的扭矩(输出)，定子电流增加，通过额定工作电流指令图，可保护转子免于过热，同时满足电机需要的输出和扭矩，而没有输出降低。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且因此不脱离本公开的实质的变形都旨在落在本公开的范围内。这样的变形不被认为脱离本公开的精神和范围。

Claims (6)

1.一种控制绕线式转子同步电机的系统，所述系统包括：
逆变器控制单元，包括：
电流指令图；
场电流控制器，被配置为基于来自所述电流指令图的转子电流指令输出脉冲宽度调制信号，以及
定子电流控制器，被配置为基于来自所述电流指令图的定子电流指令输出所述脉冲宽度调制信号；以及
逆变器电力模块单元，被配置为通过基于来自所述场电流控制器和所述定子电流控制器的最终脉冲宽度调制信号切换电压来将电压和电流施加至所述电机的定子和转子，
其中，所述电流指令图被二分化为额定工作电流指令图和最大效率电流指令图，当产生所述转子的过热时，能够切换所述额定工作电流指令图和所述最大效率电流指令图。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
电流图切换单元，被配置为响应于接收到所述转子的当前温度，将所述电流指令图切换为所述额定工作电流指令图或所述最大效率电流指令图。
3.一种控制绕线式转子同步电机的方法，所述方法包括如下步骤：
在电流指令图中的最大效率电流指令图处，接收取决于驱动器所需扭矩的扭矩指令T*、电机转速ω和基准电压Vdc；
在当前转子温度等于或小于转子过热保护起始温度时，选择并维持所述最大效率电流指令图，以选择最大效率电流指令工作点用于驱动电机的高效控制；并且
在所述当前转子温度大于所述转子过热保护起始温度时，将所述最大效率电流指令图切换为额定工作电流指令图，以选择额定工作电流指令工作点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，选择并维持所述最大效率电流指令图包括如下步骤：
从所述最大效率电流指令图中输出转子场电流指令if*和定子d/q-轴电流指令idq*；
在定子电流控制器中基于所述定子d/q-轴电流指令idq*顺序生成电压指令(定子vuvw*)和最终脉冲宽度调制信号，同时在场电流控制器中基于转子场电流指令if*顺序生成电压指令(场vf*)和所述最终脉冲宽度调制信号；以及
将所述最终脉冲宽度调制信号从所述场电流控制器和所述定子电流控制器输出至逆变器电力模块单元。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述最大效率电流指令图切换为额定工作电流指令图进一步包括如下步骤：
从所述额定工作电流指令图中输出转子场电流指令if*和定子d/q-轴电流指令idq*；
在定子电流控制器中基于定子d/q-轴电流指令idq*顺序生成电压指令(定子vuvw*)和最终脉冲宽度调制信号，同时在场电流控制器中基于转子场电流指令if*顺序生成电压指令(场vf*)和所述最终脉冲宽度调制信号；以及
将所述最终脉冲宽度调制信号从所述场电流控制器和所述定子电流控制器输出至逆变器电力模块单元。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，当所述最大效率电流指令图上的所述最大效率电流指令工作点切换至所述额定工作电流指令图的所述额定工作电流指令工作点时，定子电流增加同时场电流减小。
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Application publication date: 20160810

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